神奇的生命

随着“旅行者2号”航天探测器（Voyager 2）于1977年8月20日在美国佛罗里达州发射升空，人类有史以来最成功的科学探索任务拉开了帷幕。两周后，“旅行者2号”的姐妹探测器“旅行者1号”（Voyager 1）也冲向了苍穹。两年后，“旅行者1号”到达了它的第一个目的地——木星。在这里，它先是完成了对木星这个巨型气态行星的拍照任务，得到了木星上空翻腾盘旋的气流和著名的木星大红斑照片，随后，又从冰雪覆盖的木卫三上空飞过，之后，“旅行者1号”还见证了木星的另外一颗卫星木卫一上的一次火山喷发。与此同时，“旅行者2号”正在另外一条不同的轨道上飞行，它于1981年8月抵达土星附近，开始传送回一系列美得令人惊艳的土星环照片。通过这些照片可以发现，这些像一条精心编织的项链一样的土星环，其实是由数以百万计的小岩石和小卫星构成的。大约又一个十年后，“旅行者1号”于1990年2月14日拍下了有史以来最引人注目的照片：在一片带着颗粒感的灰色背景中，地球只是一个极其微小的小蓝点。

在过去的半个世纪中，旅行者探空计划和其他太空探测器让人类得以在月球上漫步，遥控式地探索火星上的峡谷，窥视金星上荒凉的大漠，甚至还目睹了一颗彗星猛烈地撞入木星的大气层。但大多数情况下，这些探测器发现的只是岩石——许许多多的岩石。事实上，我们可以认为，对姐妹星球的探索其实在很大程度上是对岩石的研究。无论是“阿波罗号”上的宇航员从月球上带回的一吨左右的矿物质，还是美国国家航空航天局（NASA）在“星尘”任务中发现的需要用显微镜才能看到的彗星碎片，无论是于2014年与一颗彗星直接接触的“罗塞塔号”（Rosetta）彗星探测器，还是分析火星表面情况的“好奇号”火星探测器（Curiosity Rover），其实都是在研究各种各样的岩石。

宇宙空间中的岩石当然是非常有趣的东西，因为它们的结构和组成将为解答诸如太阳系的起源、各个行星的形成以及太阳系形成之前的宇宙事件等问题提供线索。但是，对于大多数非地质学家而言，一块火星上的球粒陨石（一种石质的非金属陨石）和一块来自月球的橄长岩（一种铁质的富含磁性物质的陨石）并没什么太大的不同。然而，在太阳系中却有这样一个地方——在这里所有构成岩石和石头的基本元素以多样化的形态、功能和化学反应结合在了一起，仅仅一克这样的物质就足以超越已知的宇宙空间中所有其他地方的物质多样性。这个地方就是“旅行者1号”拍到的那个暗淡的蓝色小点，而我们把它叫作“地球”。最令人惊奇的是，那些让我们的星球表面变得如此与众不同的形形色色的原材料，还共同创造了生命。

生命如此美妙。我们已经讨论过知更鸟令人惊异的磁感应，但这种特别的技能不过是其诸多能力中的一种而已。知更鸟能够看到、嗅到、听到并捕捉苍蝇；它能够在地面或是树杈间跳跃；它能够飞上天空并一口气飞行数百公里远。最令人惊叹的是，它能够在伴侣的一点点帮助之下，用和那些岩石成分相同的材料，创造出一整窝和自己相似的生物。地球上有成千上万亿的生命体，它们具备与知更鸟相似的能力，还有许多其他同样令人费解的技能，而知更鸟只是这芸芸众生中的沧海一粟。

另一种非常奇妙的生物当然就是你了。凝视夜空，星光中的光子进入你的眼睛。光子经视网膜组织转换为极其微弱的电流，沿着视神经抵达大脑的神经组织，并生成一种“闪烁”的神经冲动，让你体验到自己正置身于一闪一闪的漫天繁星之下。与此同时，你的内耳毛发细胞感受到了小于1/109个大气压力的轻微气压变化，并生成听觉神经信号来提醒你，微风正拂过树林，那声音仿佛鸣响的口哨。几个分子飘入你的鼻子，被特殊的嗅觉感受器捕捉到，这些分子的化学特性紧接着传递到你的大脑，告诉你现在正值夏日时光，金银花正在盛放。此外，你的每一个微小的运动，无论是仰望星空，静听风吟，还是嗅闻花香，都要靠数百条肌肉协调行动才能得以实现。

由人类的身体组织完成的那些机械运动，无论如何不同凡响，与同在一个星球上生存的其他生命体比起来，都显得苍白无力。切叶蚁能够举起30倍于自身质量的重物，相当于你要背起一辆小汽车。大齿猛蚁在咬合时能将大颚在0.13毫秒内从0加速到230千米/时，而一辆F1方程式赛车要加速到相同的速度需要大概40 000倍的时间（大约5秒）。亚马孙河电鳗能够瞬间产生600伏特的致命电压。生命的能力千奇百怪：鹰击长空，鱼翔浅底，蚓食埃土，猿曳森林。还有，正如前面发现的那样，包括知更鸟在内的许多动物，能够利用地球磁场完成数千公里的旅程。此外，就生物合成能力而言，没有什么能够与地球上那多姿多彩的绿色生命相提并论。它们把空气、水（再加一些矿物质）的分子糅合在一起，就造出了青草、橡树、海藻、蒲公英、地衣和高耸入云的红杉树。

所有的生命体都有其特别的技能和特长，比如知更鸟的磁感应或是大齿猛蚁的极速咬合，但有一种人类器官的表现可以让其他所有生物望尘莫及。这个灰色肉质的器官（大脑）被我们坚硬的颅骨牢牢地保护着，其计算能力超过了世界上所有的计算机，它还创造了埃及金字塔、广义相对论、《天鹅湖》、《梨俱吠陀》、《哈姆雷特》、明代的陶器和唐老鸭。而且，最令人惊叹的一点是，人类大脑有能力感知到自身的存在。

生命体拥有万千的形态和无尽的功能，然而构成这种极大生命多样性的原子，与火星上那些球粒陨石中发现的原子几乎完全相同。

究竟是什么将岩石中那些没有活动能力的原子和分子夜以继日地转化为能跑、能跳、能飞、能定位、能游泳、能生长、能爱、能恨、能欲求、能恐惧、能思考、能哭、能笑的活生生的生物呢？这是科学界最宏大的问题，也是本书的核心。对它这种非凡转化现象的熟悉，让我们觉得它似乎稀松平常，但请牢记，即使在这样一个基因工程与合成生物学的时代，人类还从来没能用完全非生命的物质创造出生命。我们的技术至今未能成功地完成一次转化，而即使是地球上最简单的微生物也能毫不费力地创造出生命来。这个事实告诉我们，我们关于生命构成的知识还不完善。我们可能忽略了一些元素，这些元素并不存在于非生命体中，却是激活和维持生命必不可少的“火种”。

这并不是说我们要宣称存在什么能够激活生命的原动力、灵魂或是神奇的原料。我们的故事可比那有趣多了。我们要做的是探讨最新的研究。这些研究表明，至少有一部分生命之谜的问题会在量子力学的世界中得到解答。在那里，物体可以同时出现在两个地方，物体之间拥有幽灵般的联结，并且可以穿越明显无法穿透的屏障。生命似乎一只脚踩在了充斥着日常物品的经典世界中，而另一只脚陷在了奇怪而特别的量子世界中。我们想说的是，生命，其实生活在量子的边缘。

我们坚信自然法则只能用来描述基本粒子的行为，但是，动物、植物和微生物是否也受自然法则的支配呢？当然，就像足球、汽车或是蒸汽火车一样，生命体同样是由数以兆计的粒子构成的宏观物体，应该充分地遵循经典物理学规律，比如牛顿力学定律或是热力学定律。既然如此，那我们为什么还需要隐藏的量子力学世界来解释生命物质的奇特属性呢？要回答这个问题，我们需要先踏上一次短暂的科学之旅，来回顾一下科学为了理解“生命究竟有什么特别之处”所做过的努力。

活力论

生命之谜的核心在于：与一块石头相比，为什么物质一旦形成生命就会表现得如此不同？古希腊的哲人们是探究这个问题的第一批人。哲学家亚里士多德或许是世界上第一位伟大的科学家。他发现了非生命物质的一些可靠且可预测的性质：比如，固体具有下落的倾向，而火和水蒸气倾向于上升；天体倾向于围绕地球做圆周运动。然而，生命却大不相同：尽管很多动物也有下落的倾向，但它们也会跑；植物可以向上生长，而鸟儿则可以飞离地面。那么，是什么让生命与世界上其他的东西不同呢？年代更早的哲学家苏格拉底曾做出回答，答案记录在其学生柏拉图的书中：“是什么，当其出现在物体体内时，就让它拥有了生命？答案是灵魂。”

亚里士多德同意苏格拉底关于生命体拥有灵魂的说法，但他认为灵魂也有等级。最低级的灵魂附身于植物，让植物能够生长，并从周围吸取养分；动物的灵魂更高一级，赋予其宿主感觉和运动的能力；只有人类的灵魂，承载着理性与智力。古代中国的哲人们持有相似的看法。他们认为，生命体之所以活着，是有一种叫作“气”的无形生命力在生命周身流转。后来，世界上的主要宗教都吸收了“灵魂”这一概念，但灵魂的性质、灵魂与身体之间的联系等问题却仍然玄妙而神秘。

生命的另一个谜团在于生命的必死性。大家普遍相信灵魂是不朽的，可为什么生命却如此短暂？大多数文化给出的答案是，在死亡降临时，灵魂会脱离躯体。到了1907年，美国医生邓肯·麦克杜格尔（Duncan MacDougall）宣称自己能够通过在病人死后立刻称量其体重的方法，对比其死亡前后体重的变化，从而测量出灵魂的质量。他的实验让他相信灵魂的质量大约为21克。但灵魂为什么非要在陪伴了我们70多年后脱离我们的身体呢？这仍是个谜。

灵魂的概念虽然不再是现代科学的一部分，但它至少将对生命体与非生命体的研究区分开来，使科学家能够心无旁骛地研究非生命体内部运动的成因而不受神学和哲学问题的困扰。研究“运动”（motions）这一概念的历史可谓久远、复杂而又迷人，但在本章中，我们只是带着你简要地游览一遭。之前已经提过，亚里士多德认为，物体有向着地球、远离地球或围绕地球旋转等运动倾向，他将这些倾向统称为“自然运动”（natural motions）。他还发现，固体能够被拉、推和抛出。这些运动在他看来是“被动的”（violent），而且是由另一个物体提供的某种力量发起的，比如一个投掷物体的人。但是，投掷这一动作又是怎么产生的呢？或者说鸟是如何飞起来的呢？似乎还有其他的原因。亚里士多德指出，与非生命体不同，生命体具有自发产生动作的能力。而就上述的例子而言，产生动作的就是生命体的灵魂。

一直到中世纪，亚里士多德关于“运动”起源的看法都占据着主导地位，但有趣的事情发生了。科学家们（当时他们称自己为自然哲学家）开始用逻辑和数学的语言来表达关于非生命体运动的理论。大家可以争论究竟谁对这次极具效益的人类思想转变做出了贡献，但可以明确的是，中世纪阿拉伯和波斯的学者们，比如阿尔哈曾（Alhazen，965—1040）和阿维森纳（Avicenna，980—1037），一定扮演过重要的角色，而之后兴起的欧洲学术机构，比如巴黎大学和牛津大学，延续并发展了这一潮流。

不过，这种描述世界的方法第一次结出丰硕的果实应该是在意大利的帕多瓦大学。伽利略在那里用数学公式推导出了简单的运动定律。在伽利略逝世的1642年，牛顿诞生于英格兰的林肯郡。牛顿继续伽利略的工作，对非生命体在力的作用下运动发生改变的现象提出了极其成功的数学表达。今天，我们将他提出的这套理论称为“牛顿力学”。

牛顿的力在一开始还是一个神秘的概念，但几个世纪过去之后，人们越来越认识到力与“能量”的概念密不可分。移动物体，被描述为向碰到的静物转移能量，使其移动。但是，力同样可以在物体间远程传递：比如把牛顿的苹果拉向地面的地球引力，或是让指南针的指针旋转的地磁力。

由伽利略和牛顿发端的伟大科学进步在18世纪得到了长足的发展，到19世纪末期，经典物理学的理论框架已经基本建成。在那个时候，科学家们已经知道，热和光等其他形式的能量也可以与物质的组成（原子和分子）进行互动，让物质变热、发光或改变颜色。物体是由微小的粒子构成的，而这些粒子的运动受到重力和电磁力的控制。在19世纪晚期，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）证明，电力和磁力其实是同一种力（电磁力）的两个方面。这样一来，物质世界，或者至少是物质世界中的非生命体，就被分成了两个截然不同的部分：由粒子组成的可见的物质和以难以理解的方式在物质之间作用的不可见的力。当时认为，不可见的力以能量波的形式在空间中传播或是利用“力场”（force field）发生作用。但是，构成生物的生命物质又是怎么一回事呢？是什么构成了这些生命物质，它又是如何运动起来的呢？

机械论

所有的生物都是从某种超自然的物质或是主体那里获得了生命力，这一古老的想法确实为生物与非生物之间令人惊异的差异提供了某种解释：生命之所以不同，是因为灵魂而非其他平凡的机械力量在驱使其行动。但这终归不是令人满意的解释，就好像说太阳、月亮和恒星的运动是因为有天使推着它们在动一样。事实上，这个问题还没有什么真正的解释，灵魂（和天使）的性质依然是个十足的谜题。

17世纪时，法国哲学家勒内·笛卡儿提出了一种全新的视角。他有感于当时用来取悦欧洲宫廷的机械钟表、玩具和自动人偶，受其机械原理的启发，革命性地宣称植物和动物的身体，包括人类在内，都不过是由传统材料制成的精密机械，由泵、齿轮、活塞和凸轮等机械装置提供动力，而这些机械装置的动力与支配非生命体运动的力量相同。笛卡儿将人类的心智排除在他的机械论之外，认为心智是一个不朽的灵魂。笛卡儿的哲学至少尝试着用支配非生命体的物理定律为解释生命提供了一种科学框架。

牛顿的力学体系让机械生物路径传统在近现代一直延续：物理学家威廉·哈维（William Harvey）发现，心脏不过是一个机械泵。一个世纪之后，法国化学家安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）证明，呼吸的天竺鼠消耗氧气，呼出二氧化碳，正如燃烧燃料为新发明的蒸汽引擎提供动力一样。拉瓦锡据此总结道：“因此，与煤的燃烧很类似，呼吸是一种非常缓慢的燃烧现象。”笛卡儿可能曾经也预言过，动物与燃煤驱动的火车头没有看起来那样不同。而后者很快让工业革命席卷了欧洲。

但是，驱动蒸汽火车的力量也能让生命运动吗？要回答这个问题，我们先要理解蒸汽火车是怎样翻山越岭的。

|分子台球桌|

研究热量与物质相互作用的科学被称为热力学。该学科的核心观点由19世纪奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）提出，他大胆地将组成物质的粒子看成了一大堆遵循牛顿力学定律的随机碰撞的台球。

试想用一根可移动的短杆将台球桌的表面分成两侧。包括母球在内的所有球都在短杆的左手边，整组台球整齐地摆成三角形。现在，用母球用力击打球组，让台球向各个方向快速运动，互相撞击，在球桌库边及可移动短杆上反弹。想想短杆会发生什么：球都在左侧，因此它会受到来自左侧的多次撞击，而不会受到来自空空如也的右侧的撞击。即使所有的台球都是完全随机地运动，在所有随机运动的台球的推动下，短杆也会受到一个将其向右推动的平均力，使左侧的区域扩大，右侧的区域压缩。我们可以进一步想象，利用这个台球桌做一些功。比如，通过建造一个由杠杆和滑轮组成的奇巧的装置，用短杆向右的运动来推动一列玩具火车爬上一个山坡的模型。

玻尔兹曼意识到，从本质上讲，这正是热力引擎将真实火车头推上真实山坡的原理。别忘了，当时正处于蒸汽时代。蒸汽机汽缸里的水分子与被母球击散的台球表现得极为相似：炉内的热量使它们的随机运动加速，使分子互相撞击，推动活塞更为有力地向外驱动蒸汽机车的转轴、齿轮、链条和轮子，并由此产生定向的运动。在玻尔兹曼之后又过了一个多世纪，现在我们自己使用的汽油机车与蒸汽机车的工作原理依然完全相同，只不过是用汽油燃烧的产物取代蒸汽罢了。

作为一门科学，上文中的原理正是热力学的不凡之处。已造好的每一台热力引擎，其规则运动都是利用了数以兆计的分子与原子的随机运动所产生的平均运动。不仅如此，这门科学的应用极其普遍，不仅可以用在热力引擎上，还发生于几乎所有的标准化学反应中：煤炭燃烧、铁钉生锈、做饭、炼钢、盐在水中溶解、烧水或将火箭送上月球。所有这些化学过程都有热量交换，而且在分子层面上，都是基于随机运动，都遵循热力学原理。事实上，几乎所有能使世界发生变化的非生物过程（物理的和化学的）都遵循热力学原理，“混乱”拥有不可阻挡的力量。它不仅是热力学的基石，也操控着洋流、风暴、岩石风化、森林大火、金属腐蚀等现象。每一个复杂的过程在我们看来可能是结构严谨、秩序井然的，但究其核心，所有现象的驱动力都是分子的随机运动。

|生命是团乱麻吗|

那么生命也是如此吗？让我们重新回到那张台球桌上，在游戏开始时重新把球摆成整齐的三角形。这次，我们还要增加大量多余的球（假设球桌非常大），并让这些球在摆成三角形的球组周围受到猛烈的撞击。我们也会利用由随机碰撞推动的短杆来做一些有用的功，只不过不是用它来驱动玩具火车爬上小山坡，而是设计一个更加巧妙的装置。这一次，由所有这些球碰撞所推动的机器将做一些特别的事情：它将在混乱中使原先那组球保持整齐的三角形阵列。每当三角形阵列中的一个球被一个随机移动的球撞离其原来的位置时，某种感应装置会探测到这一事件，并引导机械手臂从随机碰撞的其他球中选择一个相同的球，去取代三角阵列中缺失的球，来填补三角形中的一个空缺。

我们希望你已经注意到，这个系统正在用由分子随机碰撞产生的能量来使自身的一部分保持高度有序的状态。在热力学中，“熵”（entropy）用来描述一种缺乏秩序的状态，因此，高度有序的状态被描述为拥有较低的熵。因此，我们的台球桌也可以说是利用高熵（混乱的）碰撞的能量，来使自身的一部分，即中间摆成三角形阵列的球组，保持低熵（有序的）的状态。

现在，我们先不关心如何建造这样一种巧妙的装置，此处的重点是，这个由熵驱动的台球桌正在做一件有趣的事情：仅仅靠着混乱的台球运动，这个由台球、球桌、短杆、感应器和机械手臂组成的新系统就能够使它的一个子系统保持有序的状态。

让我们想象另一层面的复杂性：移动短杆的能量（我们可以将其称为该系统的自由能）可以用来建造和维持感应器和机械手臂，甚至可以用来制作最开始用作系统原材料的台球。现在，整个系统可以自我维持，而且在理论上，只要能够持续地提供大量随机移动的台球，而且有足够的空间让短杆继续移动，该系统就可以无限地运作下去。

最后，除了能够保持自身运转外，这个拓展系统还能完成一项令人惊异的成就：它能使用自由能来探测、捕捉和摆放台球，并完成一份完整的自身拷贝：球桌、短杆、感应器、机械手臂，还有摆成三角形的台球组。这些拷贝又可以利用它们的台球及碰撞产生的自由能来制造更多这样能够自我运转的装置，然后“子子孙孙无穷匮也”……

好了，你可能已经猜到我们要说什么了。我们假想的这个DIY项目创造了一个由台球驱动的生命等价物。就像一只鸟、一条鱼或是一个人，这个想象出来的装置能够通过利用随机分子碰撞产生的自由能来维持并复制自己。虽然这是一项复杂而困难的任务，但通常认为，其驱动力与推动蒸汽火车上山的动力别无二致。在生命体中，从食物中获得的分子相当于台球，虽然过程比我们所举的这个简单例子要复杂得多，原理却相同：分子随机碰撞（及其化学反应）产生的自由能被用来维持生命体并复制生命体。

那么，难道生命科学不过是热力学的一个分支吗？当我们外出远足时，我们爬上山丘的过程与推动蒸汽机车头的过程是完全一样的吗？知更鸟的飞行与一发炮弹的飞行没有区别吗？若要追根问底，难道生命的火种仅仅是随机的分子运动吗？要回答这些问题，我们需要近距离观察生命体的精密结构。

生命科学新发现

|细胞|

在人类对生命精密结构的探寻中，第一次重大的进步来自17世纪的“自然哲学家”罗伯特·胡克（Robert Hooke）与荷兰显微镜研究者安东·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）。在自己发明的原始显微镜下，胡克看到了软木塞薄切片中他称为“细胞”（cell）的结构，而列文虎克则在池塘的水滴中发现了他称为“微动物”（animalcule）而现在称为单细胞生物的生命体。列文虎克还观察到了植物细胞、血红细胞，甚至还包括精子。后来，我们知道所有的活体组织都可以分为这样的细胞结构，而细胞就像是构成生命体的砖块。德国医生、生物学家、病理学家鲁道夫·魏尔肖（Rudolf Virchow）在1858年的著作中写道：

一棵树是由物质按照一定的秩序组成的。无论是树叶还是树根，无论是树干还是花朵，在树的每一部分中，细胞都是最基本的元素。同理，动物生命的形态也是如此。每一只动物都是一群生命单位的集合，而每个单位都展现出生命全部的特性。

在功能日益强大的显微镜的辅助下，人类对活细胞的研究逐步深入，细胞的内部结构也显示出高度的复杂性。每个细胞的中心都有填充着染色体的细胞核，细胞核的周围包裹着细胞质，细胞质中又镶嵌着细胞器。就像人体的器官一样，细胞器也在细胞内部执行着特殊的功能。比如，被称为线粒体的细胞器在人体细胞内具有呼吸的功能，而叶绿体在植物细胞内负责进行光合作用。总体来讲，细胞就像一个忙碌的制造厂的缩影。

但究竟是什么让细胞持续运作？又是什么让细胞有了生命？起初，普遍的观点认为，细胞内充斥着“生命力”，本质上就是亚里士多德所说的灵魂。后来，在19世纪的大多数时间里，对活力论（vitalism）的信仰又持续占据主流。活力论认为，活体生物的生命来自一种在非生命体中不存在的力。在活力论的视角下，细胞里充盈着一种被称为“原生质”（protoplasm）的神秘活性物质，而对原生质的描述也渲染着神秘主义色彩。

但是，19世纪几位科学家的工作使活力论土崩瓦解。他们成功地证明从活细胞中分离出的化学物质与实验室合成的完全相同。比如，1828年德国化学家弗里德里希·维勒（Friedrich Wöhler）成功地合成了尿素，而之前认为这种生物化学物质只存在于活细胞中。路易·巴斯德（Louis Pasteur）甚至利用活细胞的提取液（后来被称为酶），成功地重现了发酵等化学变化，而之前认为只有生命体才能做到这样的事情。随着科学进步，人们发现组成生命体的物质似乎与构成非生命体的化学物质是相同的，并因此遵循相同的化学规律。活力论渐渐让位于机械论。

到19世纪末期，生物化学家可以说完全击败了活力论者。细胞被视为装着各种生物化学物质并进行着各种复杂反应的袋子，同时像玻尔兹曼所描述的那样，以与台球类似的随机分子运动为基础。人们普遍相信，生命实际上不过是热力学的进一步拓展。但仅有一个方面除外，而这一方面可以说是最重要的一个方面了。

|基因|

无论是一只知更鸟、一株杜鹃花还是一个人，活体生物能够忠实地遵循指令复制出另一个自己的能力，几百年来一直让人极其费解。在1653年的《第51号实习报告》中，威廉·哈维写道：

虽然众所周知，胚胎的起源与诞生来自雄性与雌性，就像公鸡与母鸡合作产出了鸡蛋，而鸡蛋又生出了小鸡，但是，没有一个学派的医生或者亚里士多德那明察秋毫的大脑，能够说明公鸡和它的“种子”是如何让小鸡破壳而出的。

两个世纪以后，奥地利修道士与植物学家格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）为该问题给出了部分解答。大约是在1850年，孟德尔在布尔诺奥古斯丁修道院的菜园里种植豌豆。他的观察让他认为，像花的颜色或是豌豆的形状等性状是由可遗传的“因素”决定的，这些“因素”可以不经改变地从一代传向下一代。孟德尔所谓的“因素”提供了一个让豌豆得以流传几百代而性征保持不变的遗传信息库，或者说正是通过这个遗传信息库使“公鸡和它的‘种子’让小鸡破壳而出”。

孟德尔的工作被他同时代的大多数学者所忽视，其中包括达尔文。一直到20世纪早期，孟德尔学说才重新受到重视。孟德尔所说的“因素”后来被称为“基因”，并很快被不断发展的20世纪机械论生物学所吸收。不过，虽然孟德尔曾说明这些遗传单位一定存在于活细胞内部，但从来没有人真正见过这些遗传单位或是知道它们的构成成分。然而，到了1902年，美国遗传学家沃尔特·萨顿（Walter Sutton）发现，一种叫作“染色体”的细胞内结构遵循孟德尔式“因素”的遗传规律，他据此提出基因位于染色体上。

但相对而言，染色体体积较大，结构复杂，包括了蛋白质、糖和一种名为脱氧核糖核酸（DNA）的生物化学物质。就算这些物质真的具有遗传性，最开始也并不清楚究竟哪种成分具备这样的功能。到了1943年，加拿大科学家奥斯瓦尔德·艾弗里（Oswald Avery）通过从供体细胞中提取DNA并注入受体细胞中，成功地将一组基因从一个细菌细胞转移到了另一个细菌细胞。这个实验说明，在染色体中携带所有关键遗传信息的物质，是DNA，而不是蛋白质或是其他生物化学物质。在那个时候，埃弗里的实验并不被当作DNA是遗传物质的决定性证据——争论一直持续到克里克和沃森的时代。大家觉得DNA似乎也没什么神奇的，不过是一种普通的化学物质。

因此，问题依然没有得到解决：这一切究竟是怎么运转的？一种化学物质是如何传递使“公鸡和它的‘种子’让小鸡破壳而出”所需的信息的？基因又是如何从一代复制繁衍到下一代的？以玻尔兹曼的热力学为基础的传统化学似乎无法解释基因为什么能够储存、复制和精确地传递遗传信息。

答案终于在1953年揭晓，这在科学史上非常著名。当时，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在剑桥的卡文迪什实验室与他们的同事罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）成功地设计出了一个能与从DNA中获得数据相匹配的结构模型：双螺旋结构。

每条DNA链都由一串由磷、氧原子及叫作脱氧核糖的糖类分子组成，在分子链上还像念珠一样分布着叫作核苷酸的化学结构。核苷酸“念珠”有四种变体：腺嘌呤（adenine，缩写为A）、鸟嘌呤（guanine，缩写为G）、胞嘧啶（cytosine，缩写为C）和胸腺嘧啶（thymine，缩写为T）。因此，这些核苷酸沿着DNA链的排列就提供了一种一维的“遗传字母”序列，比如“GTCCATTGCCCGTATTACCG”。

弗朗西斯·克里克第二次世界大战时曾在英国海军部（负责指挥皇家海军的部门）服役，因此我们也就不难理解他可能对密码比较熟悉，因为当时德国恩尼格码密码机（Enigma）加密过的文件都会送去布莱奇利园解码。不管怎样，当克里克一看到DNA序列时，他就立刻意识到这是密码，是一条提供重要遗传指令的信息序列。而且，正如我们将在第6章进一步讨论的那样，DNA双螺旋结构的发现还解决了遗传信息的复制问题。电光火石间，科学界的两大谜题就解决了。

DNA结构的发现为解锁基因之谜提供了一把机械论的钥匙。基因是化学物质，而化学不过是热力学，那么，是不是说双螺旋结构的发现最终将生命完全带入了经典科学的王国呢？

|合成生物学|

在刘易斯·卡罗尔（Lewis Carroll）的《爱丽丝梦游仙境》中，有一只能随时现身随时消失的柴郡猫，在消失后只留下它那咧嘴的笑脸。爱丽丝评论道：“我常常看见没有笑脸的猫，可还从没见过没有猫的笑脸呢。”许多生物学家面对着相似的困境。就算知道了活细胞中热力学如何运作、基因如何编码合成细胞所需的信息，“生命究竟是什么”的谜题依然未得到解决，就好像一直在对着他们笑的柴郡猫一样。

生命的第一个谜题是在每个活细胞内生化反应的极度复杂性。当化学家要生产一种氨基酸或糖类时，他们几乎总是一次只合成一种产品，通过精心地控制该制备实验的条件，比如温度和不同原料的浓度，来优化对目标化合物的合成。这可不是一项简单的工作，需要对定制的长颈瓶、冷凝器、分离柱、过滤器及其他复杂的化学仪器内部许多不同的条件进行精细的控制。然而，你体内的每个活细胞中，在一个仅仅容纳着一微升液体的百万分之几的单一反应室内，正在马不停蹄地合成着数以千计各不相同的生化物质。这些不同的反应是如何同时发生的？所有的分子活动如何在一个小小的细胞内协调运作？这些问题正是新兴的科学分支“系统生物学”所关注的焦点。但是坦白地说，这些问题的答案依然迷雾重重。

生命的另一个谜题是死亡。化学反应的一个特征是它们总是可逆的。我们可以按这样的方向写下方程式：底物→产物。但是，该反应的逆反应：产物→底物，也在同时发生着。只不过在一定的条件下，总有一个方向会倾向于占据主导地位。实际上，我们总能找到一套倾向于逆反应的反应条件。比如，当化石燃料在空气中燃烧时，底物是碳和氧气，产物只有温室气体二氧化碳。通常，这个反应被看作是一个不可逆反应。但是，某些碳捕捉技术正在试图利用其他能源将这一过程逆转，推动反应向相反方向发展。比如，伊利诺伊大学的里奇·马塞尔（Rich Masel）成立了一个名为“二氧材料”（Dioxide Materials）的公司，致力于使用电能将大气中的二氧化碳转化为汽车燃料。

生命却迥然不同。还从没有人发现过能使下面的反应发生的条件：死细胞→活细胞。正是这个谜题让我们的祖先提出了灵魂的概念。我们不再相信一个细胞中会包含任何形式的灵魂，但是当一个细胞或是一个人死去时，不可逆转地失去的东西又是什么呢？

此时，你可能会想：新兴的合成生物学不是饱受赞誉吗？那门学科的研究者难道没有掌握生命之谜的钥匙吗？合成生物学最著名的实践者可能要数基因组测序的先驱克雷格·文特尔（Craig Venter）了，他在2010年宣称自己创造出了人造生命，并由此掀起了一场科学风暴。他的工作在世界各地登上了新闻头条，并激起了人们对人造新物种将会占领地球的恐慌。

但文特尔和他的团队不过是修饰了一个现存的生命形态，而不是完完全全地创造了一个新的生命。他们选择了一种能使山羊得病的名为丝状支原体（Mycoplasma mycoides）的致病菌，先是合成了该致病菌整套基因组的DNA，然后将合成的DNA基因组注入到一个活菌细胞内，并非常巧妙地诱导该活菌将自己原先那条单一的染色体替换成合成的DNA。

毫无疑问，这项工作绝对是一项技术上的杰作。实验中的细菌染色体包含了180万个遗传字母，而且所有的遗传密码都需要按照正确的序列精确地串在一起。但是，我们每个人都能毫不费力地将食物中的惰性化学物质转化为自己身上鲜活的血肉，而从本质上讲，这些科学家所做的转化与我们的日常行为别无二致。

文特尔和他的团队成功地合成并插入了细菌染色体的替代物，为合成生物学开启了一片全新的天地，在本书的结语中，我们会重新来看这部分内容。这项技术很有可能将衍生出制备药品、种植庄稼、分解污染更有效率的方法。但在这些及其他许多相似的实验中，科学家并没有创造出新的生命。尽管有了文特尔的成就，生命的根本谜题一直还在对着我们笑。

诺贝尔奖获得者、物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）因为一直坚持如下的观点而为人所称道：“凡是我们做不出来的，就是我们还不理解的。”按照这个定义，我们还不理解生命，因为我们还从未能够创造出生命。我们能够混合生化物质、加热它们、照射它们，我们甚至能像玛丽·雪莱（Mary Shelley）笔下的弗兰肯斯坦一样，用电来使它们具有生机，但是，我们要想创造生命，就只能将这些生化物质注射到活细胞中，或是吃下它们，让它们成为我们身体的一部分。

每一秒都有数以兆计的最低级的微生物毫不费力地创造着生命，那我们为什么就做不到呢？我们是缺了什么原料吗？70多年前，著名物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）也曾思考过这一问题，他那令人惊异的答案与本书的主旨十分契合。要想知道对这个生命最深奥的谜题，为什么薛定谔的解答直到现在还依然具有非凡的革命性，我们需要回到20世纪初，回到那个DNA双螺旋结构还未被发现的年代，而彼时的物理学界正发生着翻天覆地的变化。

量子力学，物理学的一场革命

在18～19世纪的启蒙运动期间，科学知识的大爆炸催生了牛顿力学、电磁学与热力学，并向世人展示，从炮弹到钟表，从风暴到蒸汽火车，从摆锤到行星，只要物理学的这三个领域合力，就能成功地描绘这个世界上所有日常宏观物体与现象的运动与行为。但到了19世纪末20世纪初，当物理学家将他们的注意力转向物质的微观组成（原子和分子）时，他们发现熟悉的定律不再适用。物理学需要一场革命。

|“量子”概念的提出|

革命的第一个重大突破性进展是“量子”概念的提出。1900年12月14日，德国物理学家马克斯·普朗克在德国物理学会的一次研讨会上展示了他的研究成果，而这个日子也被广泛认为是量子理论的诞生之日。

当时传统的观点认为，与其他形式的能量类似，热辐射在空间中以波的形式进行传播。问题在于，波理论无法解释某些发热物体的能量辐射现象。因此，普朗克提出了一种全新的观点，认为这些发热体表面的物质在以一定的离散频率振动，导致热能只能通过微小而离散的能量团进行辐射，而且这些能量团不可以再分，普朗克称其为“量子”。普朗克的简单理论大获成功，却背离了经典辐射理论，因为后者认为能量具有连续性。普朗克的理论表明，从物质中流出的能量并不像从水龙头里连续不断地流出的水柱那样，而是更像从龙头里缓慢滴出的水滴，像一个个离散的、不可再分的“包裹”一样传播。

对“能量团块化”这个想法，普朗克自己也从未感到很满意。但就在他提出量子理论五年之后，爱因斯坦拓展了他的理论，并提出包括光在内的所有电磁辐射都是“量子化”的，而非连续的，光以我们称为“光子”的离散的“包裹”或粒子的形式存在。爱因斯坦指出，以这种方式来思考“光”，能够解释一个长期以来困扰物理学家的现象——在高于特定频率的电磁波照射下，光可以将物质内部的电子激发出来，即“光电效应”。正是这项成就，而不是他那更广为人知的广义相对论，让爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

但是，也有大量的证据表明光的行为像是扩散和连续的波。那么光怎么可以既像团块又像波呢？这在当时看来，似乎不合情理，至少在经典物理学的框架内是说不通的。

|玻尔的贡献|

革命的第二大步由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）迈出。1912年，他与欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）一起在英国曼彻斯特工作。卢瑟福刚刚提出了著名的原子行星模型，认为原子的中心有一个极小而致密的原子核，周围环绕着更加微小的、在轨道中旋转的电子。但没有人可以解释为什么原子可以保持稳定。根据传统的电磁理论，当绕着带正电的原子核旋转时，带负电的电子会持续地释放光能。如果这样，电子会失去能量并很快（小于万亿分之一秒）朝着原子核螺旋向内移动，导致原子塌缩。但事实上，电子并没有发生这种情况。那么，它们玩的是什么把戏呢？

为了解释原子的稳定性，玻尔认为，电子并不能自由地占据原子核外的任意轨道，而是只能占据某些固定的或量子化的轨道。电子只能从一个轨道跃迁到下一个较低的轨道，并释放与两个轨道的能级差完全相同的一团电磁能（一个光子），也就是量子。相应地，如果电子跃迁到一个更高的轨道上，就需要吸收一个具有相应能级差的光子的能量。

用吉他和小提琴演奏音符的类比，或许可以将经典理论与量子理论之间的差别形象化，并解释为什么电子只能占据原子中某些固定的轨道。当小提琴手演奏一个音符时，他会用一根手指将一根弦压在琴颈的指板上，使弦变短，然后运弓拉琴，使弦振动。较短的琴弦能以更高的频率（每秒振动更多次）振动，演奏音调更高的音符，与之相反，较长的琴弦会以更低的频率（每秒振动更少次）振动，演奏音调更低的音符。

在继续行文之前，我们要简单地介绍一下量子力学的基本性质之一，那就是频率与能量紧密相关。在引言中我们已经提到，亚原子粒子同时具有波的性质，像所有扩散的波一样，它们也有自己的波长和频率。快速的振动（或波频）比慢速的振动具有更多的能量——就像你的滚筒甩干机一样，为了得到足够的能量将衣服里的水甩干，滚筒必须以很高的频率（速率）旋转。

现在回头说说小提琴的事。依照演奏者手指到琴弦固定端长度的不同，音符的音高（振动频率）可以连续变化。这就像一个“古典”理论下的波可以有任意的波长（两个连续波峰之间的距离）。所以，在此我们将小提琴定义为“古典”乐器——不是古典音乐的“古典”，而是非量子理论的经典物理学的“古典”。当然，这也说明了为什么要拉好小提琴非常困难，因为音乐家为了得到一个准确的音必须精确地知道要把手指放在什么位置。

但吉他的琴颈却不一样，吉他沿着琴颈会有一些“品”——在琴颈上间隔分布的一些金属，凸出于指板但并没有接触到琴弦。因此，当一名吉他手将他的手指压在弦上时，弦也同时压在了品上，让品而非手指暂时成了弦的末端。此时弹拨琴弦，所弹音符的音高仅仅由品到琴桥之间的这段琴弦振动而产生。品的数量是有限的，也就意味着只有一定数量的、间断的音符可以在吉他上演奏。在弹拨琴弦时，调整在两个品之间手指的位置并不会改变弹出的音符。因此，吉他更像是“量子”乐器。此外，根据量子理论，频率和能量是相关的，那么振动的吉他弦就一定具有间断而非连续的能量。与此相类似，电子之类的基本粒子，只能拥有特定的波频，每种拥有特定的能量层级。当电子从一个能量层级跃迁到另一个能量层级时，它必须吸收或释放与其跃迁前后能级差相对应的辐射。

|海森堡不确定性原理|

到了20世纪20年代中期，欧洲的几位物理学家狂热地追求一个能够更加完善而一致地描述亚原子世界的数学理论。彼时的玻尔已经回到了哥本哈根，他也是追求数学理论的狂热者之一。他们这个群体中最聪明的人是一位来自德国的年轻天才——维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）。1925年的夏天，从一次花粉症发作中恢复过来的海森堡在一个名为黑尔戈兰岛的德国小岛上养病，其间，他在构建用来描述原子世界的数学体系时取得了重大进展。但这是一种非常奇怪的数学表达，而这个表达所描述的原子行为更加离奇。比如，海森堡认为，如果我们不是正在测量，那么我们将无法说出原子中电子的准确位置，不仅如此，由于电子以一种不可知的模糊方式运行，电子本身就没有一个确定的位置。

海森堡因此被迫得出结论，原子世界是一个幽灵般非实质的地方，只有当我们架起测量设备与之互动时，它才能固定下来，成为真实的存在。这正是我们在引言中简要介绍的量子测量过程。海森堡指出，这个过程只能揭示那些可以用特殊设备测量的特征——就像汽车仪表盘上各个独立的工具，只能给出汽车运转时某一方面的信息，比如速度、已行驶的距离或是引擎的温度。因此，我们可以设计一个实验来测量某一时间点上电子的精确位置；我们也可以设计一个不同的实验来测量同一个电子的速度。但是，海森堡从数学上论证，要想设计单一的实验，按照我们的意愿同时测量一个电子的位置和其移动的速度是不可能的。1927年，这个概念被简要地概括为著名的“海森堡不确定性原理”（Heisenberg Uncertainty Principle），其在世界各地的实验室中被反复证明。到现在为止，它依然是整个科学界最重要的创见之一，也是量子力学的一块基石。

|薛定谔波动方程|

1926年1月，几乎在海森堡发展自己理论的同一时间，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔写了一篇论文，为原子描绘了一幅迥然不同的图景。在论文中，薛定谔提出了一个数学方程，也就是现在广为人知的“薛定谔波动方程”。该方程并没有描述粒子的运动而是描述了波进化的方式。与海森堡不同，在薛定谔的论文里，电子并不是一个在原子内绕原子核轨道运动的、位置不可知的、模模糊糊的粒子，而是在原子内传播的波。海森堡相信，如果不去测量，我们完全不可能画出电子的肖像，而薛定谔则更喜欢将没有被观测的电子想象成一个真实的物质波，只不过我们一观测，就会“塌缩”为一个离散的粒子。薛定谔的原子理论后来成了波动力学（wave mechanics），而薛定谔方程也以描述原子内波的进化和运动而闻名。今天，我们认为海森堡与薛定谔的理论是对量子力学的两种不同的数学解读，在各自的视角下，他们都是正确的。

无论是炮弹、蒸汽机车还是行星，每一样都由数以兆计的粒子构成，当我们试图描述这些普通物体的运动时，求解需要用到基于牛顿定律的一组数学方程。但是，如果我们需要描述的系统属于量子世界时，我们需要用到的就是薛定谔波动方程了。这两套方法有一个深刻的不同之处。在牛顿世界中，运动方程的解是一个或一组数字，能够确定一个物体在给定时间点上的精确位置。而在量子世界中，薛定谔方程的解是一个被称为波动方程的数学量，该方程不会告诉我们一个电子在一个特定时间点上的确定位置，但是，它会提供一个数集来描述：当我们去寻觅这个电子时，该电子在不同位置出现的概率各有多大。

当然，你可能会有这样的第一反应：这样的结果可不够好，仅仅告诉我们电子可能出现在哪里听起来并不像是那么有用的信息。你可能很想知道电子的确切位置。但是，与一个在空间中永远占据一个确定位置的经典物体不同，只要不去测量，一个电子就会同时出现在多个地方。量子波动方程覆盖整个空间，这意味着在描述电子时，我们所能做的极限就是算出一个数集来描述电子同时存在于空间中各点的概率，而不是在一个单一的位置找到电子。然而，我们必须要意识到，量子概率并不意味着我们的知识存在缺陷，我们也无法通过获得更多的信息来弥补这一“缺陷”，因为量子概率本身就是自然界在微观层面的根本性质之一。

假设一个珠宝大盗刚刚获得了假释，被放出监狱。但他并没有痛改前非，而是旧习难改，很快重操旧业，开始在全城入室行窃。通过研究地图，警察能够追踪到自释放之日起他大致的行踪。虽然警察不能指出任一时间点上他确切的位置，但是他们能够大致确定他在城市的不同地区行窃的概率。

开始时，靠近监狱的住宅区风险最大，但是随着时间的推移，面临风险的区域会逐渐变大。而且，根据该盗贼过去选择行窃目标的特点，警察也有一定的信心推断，更富裕、拥有更昂贵珠宝的区域比相对较穷的区域面临着更大的风险。这个扩散全城的“单人犯罪波”可以被看作是一个概率波。在不可感知、没有事实支撑的情况下，一组抽象的数字就被分配给了这座城市的不同区域。与此相类似，波动方程会从电子上一次被观测到的点开始扩散。通过计算波动方程在不同时间、不同地点的值，可以让我们推测电子下一次会以多大的概率出现在哪里。

如果警察依照线报采取行动，在盗贼肩上背着赃物从窗户中爬出时抓他个正着，那么又该如何解释呢？在这一瞬间，警察描述盗贼行踪的概率分布，迅速塌缩到一个确定的位置，此时，这个盗贼一定不可能再出现在其他地方。同样，如果电子在一个确定的位置被检测到，其波动方程也会瞬间改变。在检测到电子的瞬间，在其他地方发现该电子的概率就变为零。

然而，这个类比也有不贴切的地方。在抓到窃贼之前，警察只能给盗贼的行踪分配概率，他们这么做，是因为缺乏信息。毕竟，该盗贼一次只能出现在一个地方，并未真的遍布整个城市，而警察只能假设他可能出现在任何地方。但是，电子与盗贼形成鲜明的对比，当我们在追踪其运动时，我们不能假设电子在某个特定的时间点上一定会出现在某个特定的位置。相反，我们能描述的只有波动方程，也就是它在同一时间可能出现在任何地方。只有通过“看”（进行一次测量），我们才能“迫使”电子成为一个可以定位的粒子。

到1927年，由于海森堡、薛定谔及其他科学家的贡献，量子力学的数学基础基本完成。今天，它们组成了大部分物理学与化学赖以发展的基础，也向我们展现了一幅整个宇宙基本组成单位的非凡全景图。事实也确实如此，如果没有量子力学对所有事物如何协调共存的解释力，现代技术世界的一大半成果都不可能出现。

因此，到了20世纪20年代晚期，由于在“驯化”原子世界的过程中获得成功让科学家备受鼓舞，几位量子理论的先驱大步地走出了他们的物理学实验室，开始征服一个全新的科学领域：生物学。

量子生物学的兴起

在20世纪20年代，生命仍是个谜。虽然19世纪的生物化学家在建立对生命化学的机械论理解的过程中取得了巨大进展，但许多科学家仍然坚持活力论的原理，认为生物学不应该被贬低到只剩下化学和物理，而是需要有一套自己的法则。活细胞中的“原生质”依然被看作是由未知力量激活的神秘物质，而遗传之谜也始终阻碍着遗传学的发展。

但在那十年中，也涌现出一批被称为有机论者的科学家。他们既反对活力论者的观点，也不赞成机械论者的看法。这些科学家认为，生命确实还有未解的谜题，只不过这个谜题可以用尚未发现的物理和化学原理来解释。有机论运动中最伟大的倡议者是另外一个奥地利人，他的名字富有异国情调，叫路德维希·冯·贝塔朗菲（Ludwig von Bertalanffy）。他最早创作了几篇关于生物发育理论的论文，并在其1928年出版的《形态发生的重要理论》（Kritische Theorie der Formbildung）一书中强调了用一些新的生物原理来描述生命本质的必要性。他的思想，特别是在这本书中体现的思想，影响了许多科学家，包括后来量子物理学家的带头人之一——帕斯夸尔·约尔旦（Pascual Jordan）。

约尔旦出生于德国汉诺威并在当地接受教育，后来在哥廷根师从量子力学的奠基人之一马克斯·玻恩（Max Born）。1925年，约尔旦与玻恩共同发表了堪称经典的《论量子力学》（Zur Quantenmechanik）。一年后，其“续集”《论量子力学　Ⅱ》问世，由约尔旦、玻恩和海森堡合著。这篇被称为“三大师杰作”的论文，被奉为“量子力学经典”之一，因为该文包括了海森堡创造性的突破，并以优雅的数学之美表现了原子世界的行为。

次年，当机会出现时，约尔旦做了一个欧洲同时代任何一个有上进心和自尊心的年轻物理学家都会做的选择：到哥本哈根与尼尔斯·玻尔一同工作。大约在1929年左右，他们两人开始讨论量子力学是否有可能在生物学领域中具有某些应用。后来，约尔旦回到德国，在罗斯托克大学任教，在接下来的两年中，他与玻尔保持通信，就物理学与生物学的关系展开讨论。他们的思想集中呈现在约尔旦于1932年发表在德国杂志《自然科学》（Die Naturwissenschaften）上的一篇题为《量子力学与生物学和心理学的根本问题》（Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie）的论文中，该文也被有些学者视为“量子生物学的第一篇科学论文”。

约尔旦在文章中确实表达了一些对生命现象的洞见，其中一个有趣的想法在此处萌芽，约尔旦称之为“放大理论”（amplification theory）。约尔旦指出，非生命物体由数以百万计的大量粒子的平均随机运动来控制，单一分子的运动对整个物体的影响微乎其微。但是，他认为，生命却大不相同，因为生命是由处于“控制中心”内的极少数分子来管理的，这些分子具有独裁式的影响力，影响关键分子运动的量子事件，比如海森堡不确定性原理将被放大，对整个生命体产生影响。

这是一个非常有趣的思想，之后我们还会回头讨论，但是，该理论在当时并没有得到发展，也没有产生很大的影响力。因为，在1945年德国战败后，约尔旦的政治观让他在同时代的科学家中声名狼藉，他在量子生物学方面的思想也因此被忽视了。其他在生物学与量子物理学之间牵线搭桥的科学家也受到战争的波及，四散飘零；而物理学，因为核弹的使用动摇了其核心，也将它的注意力转向了更为传统的问题。

不过，量子生物学的火焰依然熊熊燃烧着，守护这火种的不是别人，正是量子波动方程的发明者——埃尔温·薛定谔。在第二次世界大战爆发前夕，由于纳粹政权认为他的夫人是“非雅利安”血统，薛定谔举家逃离奥地利，在爱尔兰定居下来。正是在那里，他于1944年出版了一本书，书名是一个开门见山的问题——《生命是什么》（What Is Life？）。

在此书中，薛定谔提出了一种对生物学的全新理解，至今仍是量子生物学领域的核心，当然也是本书的核心。在结束本章对科学史的回顾之前，让我们先略微展开介绍一下薛定谔的洞见。

来自有序的有序

让薛定谔萌生兴趣的问题是谜一样的遗传过程。你或许还记得，那是20世纪上半叶，科学家们仅仅知道基因可以从一代传递到下一代，却不知道基因的组成或其工作原理。于是，薛定谔开始思考，究竟是什么法则让遗传保持了如此高的精确性？换句话说，相同的基因拷贝如何能在代际间几乎一丝不变地传递？

薛定谔知道，诸如热力学定律之类的经典物理学与化学规律，虽然精确可以重复验证，但实质上都是统计规律，背后是原子或分子的随机运动，也就是说，它们只有在平均意义上是正确的，也只有在包含了极大量的粒子相互作用后，才是可靠的。回到之前那个台球桌的模型，单球的运动是完全不可预测的，但是如果在台面上扔大量的球，随机地撞击它们一小时左右，你就能做出预测，此时大部分球已经进洞。热力学的原理正是如此：大量分子的平均行为是可预测的，而单一分子的行为却不可预测。薛定谔指出，像热力学定律之类的统计规律，不能精确地描述仅由少量粒子构成的系统。

比如，让我们以罗伯特·玻意耳（Robert Boyle）与雅克·查理（Jacques Charles）于约300年前提出的气体定律为例。他们描述了气球中气体的体积在受热时如何膨胀、在遇冷时如何收缩的规律。这个现象后来可以用一个简单的数学公式来概括描述——理想气体状态方程。一个气球遵循这些规规矩矩的定律：当你给它加热时，它就膨胀；当你让它冷却时，它就收缩。虽然气球遵循这些定律，不过，事实上，气球里数以兆计的分子正在像毫无秩序的台球一样各自做着完全随机的运动，互相碰撞、抖动，在气球的内壁上反弹等。那么，完全无序的运动是如何产生出秩序井然的定律的呢？

当气球被加热时，气体分子运动加剧，使它们在互相碰撞或与气球内壁碰撞时的力量有了轻微的增加。额外的力对气球的弹性表面产生更多压力，使其扩张（就像台球对玻尔兹曼台球桌上那个可移动的短杆所做的事情一样）。扩张的量取决于提供的热量有多少，完全可以预测，可以通过计算气体方程准确地描述出来。此处的要点在于，像气球一样的单一物体严格遵守气体定律，因为气球表面单一、连续而有弹性，其有序运动来自极大量粒子的无序运动，用薛定谔的话说，产生了“来自无序的有序”（order from disorder）。

薛定谔继续论证道，不仅只有气体定律从大数统计中获得了准确性，所有的经典物理学及化学定律——包括描述流体动力学或化学反应的定律——无一不是基于“大数的平均”或“来自无序的有序”这一原理。

不过，虽然一个填充有数以兆计气体分子的、正常大小的气球永远遵守气体定律，但一个微观的气球，一个小到只填充有几个气体分子的气球却不然。因为，即使在恒温下，这几个分子也会间或地、完全随机地互相远离，使气球膨胀，同理，它们也偶尔会完全随机地向内运动，使气球收缩。因此，一个极小气球的行为在很大程度上将变得不可预测。

在生活的其他方面，基于大数的秩序性及可预测性对我们来说已经非常熟悉了。比如，美国人比加拿大人喜欢打棒球，而加拿大人比美国人喜欢打冰球。基于这项统计“规律”，一个人可以对这两个国家做一些进一步的预测，比如美国会比加拿大进口更多的棒球，而加拿大会比美国进口更多的冰球棍。但是，尽管这样的统计“规律”对有几百几千万居民的国家来说具有预测性价值，但是它们却无法精确地预测单个的小镇，比如一个位于明尼苏达州或萨斯喀彻温省的小镇中冰球棍或棒球的贸易。

薛定谔并不只是简单地认识到经典物理学的统计规律在微观层面并不适用，他更近一步量化了精确性衰退的过程，计算出那些统计规律的离差与涉及粒子数量的平方根成反比。因此，一个填充有1012粒子的气球，其对气体定律的偏离程度是1/106。然而，一个仅填充有100个粒子的气球，其偏离有序行为的程度就达到了1/10。虽然此时该气球受热仍然会膨胀，遇冷仍然会收缩，但是它的行为不再能被任何确定性的定律所描述。经典物理学的所有统计规律都受制于这样的限制：对于由极大量粒子组成的物体来说，它们是正确的，但它们却不能描述由少量粒子组成的物体的行为。所以，任何依赖于经典定律可靠性与规律性的物体，自身需要由大量的粒子构成。

那么生命呢？生命的有序行为，比如其遗传规律，是否可以用统计规律解释呢？在思考这一问题时，薛定谔总结道，奠定了热力学基础的“来自无序的有序”原理无法解释生命——因为，在他看来，至少有一些极其微小的生物“机器”因为太小而不适用经典定律。

比如，在薛定谔撰写《生命是什么》那个年代，遗传被认为由基因来控制，但是基因的性质又是个谜——薛定谔问了一个简单的问题：基因是否大到足以保证其在复制过程中对精确性的偏离符合统计上的“来自无序的有序”呢？他后来大致估算出单个基因的体积应该是边长不大于300埃的立方体。这样一个立方体大约能够容纳100万个原子。这听起来好像还挺多的，但是100万的平方根是1 000，因此，按照这种方法推断出的遗传中的不精确性或“噪音”应该是0.1%。因此，如果遗传是基于经典的统计规律，它产生错误的程度（偏离规律）应该是0.1%。但是，事实上基因的传递非常准确，其变异率（错误率）小于1/109。这种非比寻常的高精度让薛定谔相信，遗传规律不可能建立在“来自无序的有序”的经典定律之上。相反，他认为基因更像是单个的原子或分子，符合另一科学领域的规律，非经典但拥有奇特的秩序，也就是由他做出的贡献的量子力学领域。薛定谔提出，遗传应该基于一种新的原理，即“来自无序的有序”（order from order）。

薛定谔最先于1943年在都柏林圣三一学院的一系列演讲中介绍了这一理论，随后将其发表在次年出版的《生命是什么》一书中。他在书中写道：“生命有机体似乎是一个宏观系统，该系统的一部分倾向于某种行为……所有的系统在当温度趋近绝对零度且分子的无序状态消除时，都将趋向于这种行为。”由于某些我们即将讨论的原因，在绝对零度时，所有的物体都服从量子的而非热力学的定律。

薛定谔认为，生命正是一种能在空中飞翔、能用两足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤中生长，或是能阅读此书的量子现象。

生命是量子的

在薛定谔的书出版之后几年，人类发现了DNA分子的双螺旋结构，分子生物学——一个基本不会涉及量子现象的学科——也如雨后春笋般成长起来。基因克隆、基因工程、基因组鉴定、基因组测序被生物学家发展起来，而这些科学家总体上心安理得地忽视了在数学上具有挑战性的量子世界。虽然，大多数科学家偶尔也尝试在生物学与量子力学的边界上游走，但他们忘记了薛定谔大胆的提议，许多人甚至公开反对将量子力学引入对生命的解释中。比如，英国化学家与认知心理学家克里斯托弗·朗吉特-希金斯（Christopher Longuet-Higgins）曾于1962年写道：

我记得几年之前曾有关于在酶与底物之间可能存在长距的量子力的讨论。然而，对这种假设持保留意见绝对是正确的。因为该假设不仅缺乏可靠的实验证据，而且也很难与分子间作用力的一般理论相调和。

到了1993年，《生命是什么？未来五十年》（What is Life?The Next Fifty Years）一书出版了。当时在都柏林举办了纪念薛定谔理论发表50年的学术会议，该书正是参会学者的论文合集，不过书中对量子力学却鲜有提及。

当时，对薛定谔理论的质疑主要源于一个普遍的共识：微妙的量子状态不可能在活体生物内部温热、湿润、杂乱的分子环境中存在。正如我们在引言中指出的那样，这也是为什么许多科学家曾经非常质疑“鸟类罗盘由量子力学所主宰”的主要原因（许多科学家现在仍然在质疑）。你或许还记得，当在引言中讨论这个问题时，我们认为物质的量子性质会被物体内部分子的随机运动“抵消”掉。现在，我们可以用热力学的观点来看看这种损耗的原因：薛定谔发现，像台球一样的分子冲撞正是“来自无序的有序”这一统计规律的源头。

随机散布的粒子可以通过重新排列整齐来揭示其隐藏的量子性质，但这种重新排列通常只能在特殊环境下进行，而且只能维持极短的时间。比如，我们曾提到，基于量子自旋，散布在我们体内随机自旋的氢原子核，可以排列整齐生成一个连续一致的核磁共振信号，但只有在一个由强力磁铁提供的极强磁场中，而且只有当磁力能够维持时才能实现：只要磁场一关闭，粒子又会在所有分子的冲撞中恢复随机排列，量子信号重新变得分散而难以探测。随机分子运动会干扰精心排列的量子系统，这种现象被称为“退相干”（decoherence）。正是这种现象快速地抵消掉了宏观非生命物体奇特的量子效应。

提高身体的温度会增加分子冲撞的能量和速度，因此，退相干现象在较高的温度下更为常见。但你可别以为“较高的温度”指的是我们认为“热”的温度。事实上，即使在常温下，退相干也无时无刻不在发生。这就是为什么“温热的生命体可以保持微妙的量子状态”至少在一开始时让人觉得不合情理的原因。只有当物体温度降到接近绝对零度——-273℃——随机分子运动才会完全静止，并使退相干现象消失，量子力学的作用才会显现出来。上文刚引用过薛定谔的话，现在我们明白了他的意思。这位物理学家的意思是，生命设法按照一套特殊的规则行事，而这套规则通常只有在比任何生物都低273℃左右的环境中才能运行。

但是，正如约尔旦或薛定谔主张的那样，随着阅读的深入，你会发现，生命不同于非生命物体。数量相对较少却高度有序的一些粒子，比如一个基因或是鸟类罗盘内部的那些粒子，能对整个生命体造成巨大的影响。这正是约尔旦所说的“放大效应”，也是薛定谔所谓的“来自有序的有序”。你眼睛的颜色、鼻子的形状、性格的方方面面、智力水平甚至包括患不同疾病的倾向，其实都已经由46个高度有序的超级分子精确地决定了。这些超级分子正是你从父母那里继承来的DNA染色体（共46条）。在已知的宇宙中，没有任何一种宏观非生命物体能够对结构精细而又如此微小的物质拥有这样的敏感度。在这样一个微小的层次，量子力学取代了经典定律，统领着一切。薛定谔论证道，正是这个现象让生命如此与众不同。2014年，在薛定谔的书出版70年后，我们终于体会到了他的良苦用心，开始懂得欣赏这位科学家给出的绝妙答案及其令人震惊的影响。而此时，薛定谔在70年前回答过的问题依然值得我们反复自问：生命是什么？