开创生物学革命的新时代
胡新和
中国科学院大学 教授
建立科学的统一性,是薛定谔毕生的信念和追求。薛定谔是个理性主义者,他追求对自然界和谐统一的理解,也追求对科学和谐统一的理解。作为一个典型的维也纳人,他也和许多科学前辈同乡一样,独具慧眼,善于吸收汇合不同领域的优秀成果,在不同的科学概念和研究领域间发现内在联系,找到沟通的桥梁。他的同乡弗洛伊德把医学和心理学的研究方法结合起来,创立了精神分析学;另一同乡孟德尔则把组合数学方法引入生物学,成为遗传学的奠基人。这种跨学科的或多学科交汇处的研究常常成为新理论或新学科的生长点,一方面体现出现代科学日益复杂精细,另一方面也体现出综合和统一的趋势。
薛定谔在建立波动力学的过程中,正是从哈密顿力学-光学的形式统一获得启发,通过相对论与量子论的统一推导出波动方程;量子力学的物理诠释,也要求用波动性和粒子性的统一来解释微观客体的波粒二象性。但是,他并不满足于建立物理世界的统一性。下一步,他将探索科学统一性的目光,投向了包括人类自身的生命现象。1944年,他在剑桥大学出版社出版《生命是什么》一书,一时洛阳纸贵,产生了极大的影响。他在该书“序言”中说:
我们从先辈那里继承了对一种统一的、无所不包的知识的殷切追求。那些最高学府所被赋予的独特名称(即university)1提醒着我们,自古以来的数个世纪当中,只有普遍的(universal)东西才能完全获得承认。然而,在刚刚过去的百余年里,各个知识分支在广度上和深度上的扩展,使我们面临着一个奇怪的困境。我们清楚地感受到,直到现在我们才开始获得能够将以往所有的知识融合为一个整体的可靠材料;然而另一方面,一个人要想跨越他专攻的那一小块领域以驾驭整个知识王国,已是几乎不可能的了。
若要摆脱这个困境(以免永远无法达成真正的目标),我认为唯一的出路在于: 我们中的一些人应该斗胆迈出第一步,尝试将诸多事实和理论综合起来——即使对于其中某些内容还局限于第二手的和不完整的了解,并且冒着最终白忙活一场的风险。
这些话就是薛定谔进入生物学领域探险时的宣言,它也充分体现了他在探寻真理中无所牵挂的真挚和胆略。文中最后提到的“真正的目标”就是对世界本质统一性的理解,正是为了科学的统一性,为了人类理解自然的和谐统一的理想,他甘愿放弃已取得的名望,敢于承担被指责为蠢人的风险,尝试对奇妙的生命现象,特别是遗传性状的不变性和新陈代谢等进行新的物理思考,运用物理学的最新成就和方法进行剖析,提出了一种全新的见解。
第二次世界大战结束后,许多物理学家面临着职业选择。一方面,因为他们认为,是物理学的发展导致了毁灭性核武器的产生,使无数生灵涂炭;他们必须对自己工作与人类福利的关系做深刻的反省——科学应该造福人类,而不是祸害人类。另一方面,相对于量子力学和相对论迅速发展的激动人心的年代,理论物理学已进入一个相对平静的时期,许多物理学家都在寻找新的突破点。
在这个关键时刻,薛定谔出版《生命是什么》一书,独树一帜地提出用热力学和量子力学研究生命的本质,明确指出物理学的这种跨界探索将在生命科学领域大展宏图。这无疑对大批渴望自己的工作能够造福于人类而不是用于人类自戕的年轻物理学家有极大的诱惑力,很快吸引他们走进了这个充满希望和生机的新领域,也预告了生物学革命新时代的黎明。
1953年美国生物学家J.沃森和英国物理学家F.克里克在剑桥大学卡文迪许实验室合作研究,在威尔金斯的X射线衍射资料基础上,建立了遗传物质DNA(脱氧核糖核酸)的双螺旋结构模型,这是20世纪生物科学中最伟大的成就,标志着分子生物学的发端。他们三人因为对“核酸分子结构及其对生物中信息传递的意义”的发现而获1962年诺贝尔生理学或医学奖。三人中克里克和威尔金斯在战时都是服务于军事部门的物理学家,战争结束后当他们寻找一个新的研究领域时,正是薛定谔的《生命是什么》一书,使克里克放弃了研究基本粒子的计划,而选择了“原来根本不打算涉猎的生物学”,也使“部分由于原子弹而对物理学失去兴趣”的威尔金斯“为控制生命的高度复杂的分子结构所打动”,而“第一次对生物学产生了浓厚的兴趣”。三人中年轻得多的沃森则是在芝加哥大学学生物时读了《生命是什么》,感到自己“深深地为发现基因的奥秘所吸引”而投身对它的研究。其他如卢里亚,以及查尔加夫、本泽等著名分子生物学家,都深受《生命是什么》一书所影响。
诚然,薛定谔于生物学并非行家,他所具有的“只是第二手的和不完全的知识”,但如威尔金斯所说,他的著作之所以有影响,理由之一就是他“是作为一个物理学家写作,如果他作为一个正式的大分子化学家来写,或许就不会有同样的功效”。正是从一个有深邃眼光的理论物理学家的角度,对生命物质和遗传机制等问题发表了精湛见解,他才开拓了一种新的研究途径。
分子生物学的研究目的,是认识生物大分子的结构和功能。正是这些生物大分子的结构决定了它们的性质和在生命过程中的作用。生物体中遗传性状的不变性,说明了基因作为遗传物质在外界无序干扰下的高度稳定性,这用经典统计物理的涨落观念是无法解释的。
薛定谔发挥了德尔布吕克的思想,提出基因大分子是一种由同分异构元素连续组成的非周期晶体,像稳固的晶体结构一样,它的稳定是由于原子间的海特勒-伦敦键的作用。这些元素的排列浓缩了涉及有机体未来发育的精确计划的“遗传密码”,能在很小的空间范围内体现岀复杂的决定系统,基因的“突变实际上是由于基因分子中的量子跃迁所引起的”“这种变化在于原子的重新排列并导致了一种同分异构的分子而比之于原子的平均热能,这种构型变化的阈能之高使这种变化的概率极低,这种罕见的变化即自发突变,它们成为自然选择的基础”。这里,薛定谔率先引入了“遗传密码”的概念,并致力于解释遗传信息的物理基础,成为分子生物学信息学派的先驱。
薛定谔承认,他写作《生命是什么》的唯一动机,是揭示“生命物质在服从迄今为止已确立的物理学定律的同时,可能涉及迄今还不了解的物理学的其他定律”。由热力学第二定律,孤立系统的不可逆过程中的熵值总是趋于增加,系统总是趋于概率增大的无序状态,直至达到热力学平衡。而生命却是物质的有秩序、有规律的行为,生命有机体作为宏观系统能保持自身的高度有序状态,并不断向增加组织性的方向进化。
应当怎样解释生命物质的这种功能呢? 薛定谔在前人把新陈代谢解释为物质交换和能量交换的基础上,引入了“负熵”概念。他认为“一个生命有机体要活着,唯一的办法就是从环境中不断地汲取负熵。……有机体就是依赖负熵为生的。或者更确切地说,新陈代谢中本质的东西,乃是使有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵”。他以动物为例,认为它们正是从极有秩序的食物中汲取秩序维持自身组织的高度有序水平。尽管他的论述不免粗糙,但无疑其中蕴涵着极有价值的开拓性见解。引入负熵概念,指岀生命物质具有从外界环境中汲取负熵以维持自身和产生有序事件的自组织能力,薛定谔的这些论述对于后人关于生命系统的研究很有影响。一般系统论的创始人贝塔朗菲所提出的生命系统论,以及1977年诺贝尔化学奖得主普里戈金的耗散结构理论都从中获益匪浅。
《生命是什么》的重大意义,并不止于倡导从分子水平探索遗传机制和生命本质,而且引入了“遗传密码”“信息”“负熵”等概念来说明一系列生命现象。它的深远意义还在于提出了下面这个重大问题:“在一个生命有机体的空间范围内,在空间和时间中发生着的事件,如何用物理学和化学来解释?”在方法论上,他倡导用物理学和化学的理论、方法和实验手段研究生物学,并且身体力行地率先做出有益的尝试,这正是薛定谔对生物学的主要贡献。
量子力学的诞生,标志着微观层次的理论物理学的成熟,它为从分子水平认识生命现象提供了很有帮助的理论工具,而X射线衍射等技术为探测生命物质的结构提供了有效的实验手段。引进这些精密科学的概念和方法,将使发展较慢的生物学经历重大变革,从定性描述转到定量研究,从强调整体转到重视具体机制,从强调生命与非生命的差别转到强调两者之间的同一性,从单学科研究转到多学科综合研究,从而实现向现代生物学的转变。正是在这一转变中,由于薛定谔本人的声望、他提出问题的鲜明性和及时性,使他尝试给物理学与生物学的结合以极大的推动,成为探索二者统一性的先驱,从而促成了分子生物学的诞生。
1 即大学,其英文“university”的词根与下文的“universal”相同。——译者注