薛定諤:生命以負熵為生

生命是什麼?

1944年,來自奧地利的理論物理學家——薛定諤,發出了這樣的疑問。

薛定諤(Schrodinger),量子力學的奠基人,由於薛定諤方程的發現獲得1933年諾貝爾物理學獎,統計熱力學集大成者,分子生物學的開山鼻祖,引領了一大批物理學家向探索生命的奧祕;不過,最讓大眾熟知的,其實是他提出的一個有趣的思想實驗——“薛定諤的貓”。

薛定諤:生命以負熵為生

薛定諤的貓——一隻既死又活的貓

1944年,薛定諤出了一本小冊子——《生命是什麼:生物細胞的物理學見解,此書一出,吸引了一大批物理學家投身於分子生物學研究。今天我們就藉由一個偉大的物理學家的智慧,來從物理角度窺探生命的奧祕。

世界由原子組成

我們日常接觸的所有物質,其實都是數量超乎想象的原子(分子)。有多麼超乎想象呢?開爾文舉過一個讓人印象深刻的例子:假設你把一杯水倒入大海,只要充分攪拌後,再從七大洋中任意一處再舀出一杯水來,將會發現,這杯水中仍有大約100個水分子來自於原先那杯水!

薛定諤:生命以負熵為生

換言之,100個分子相比於一杯水,恰如一杯水相比於七大洋。足見水分子之小。

具體有多小呢?一般我們認為,一個原子的直徑約為1~2埃(1埃=米)。

其實,原子是沒有確定的直徑的,因為——

原子並不是一個實體

原子由原子核與電子組成,電子本身是“一個點”,沒有半徑,它圍繞著原子核轉動,它轉動的範圍姑且理解為原子的內部吧。

原子核更小了,是原子的十萬分之一左右,那麼,原子核是個實體嗎?

非也。原子核由質子與中子組成,而質子與中子都是由3個夸克組成,而這個夸克也只是一個點而已,沒有直徑,不是實體!

薛定諤:生命以負熵為生

看到這裡,我們才真正第一次明白了,什麼叫“萬物皆空”,因為原子本身只是由一些“點”組成的,原子是“空”的,萬物也是“空”的!

“色即是空,空即是色。”——《心經》

前面我們瞭解了一些巨集觀世界與微觀世界的基本關係,幫助我們運用想象力在巨集微世界中出入無礙,下面我們要提出一個重要的物理學思想——

所有物理定律都是統計規律

統計物理學(Statistical Physics)告訴我們,每一個原子雖然都在做著難以預測的運動,但是,一堆原子的“集體行為”卻是可以預測的,而這就是所有物理學定律的基礎。

比如,我們講“溫度”,一個物體很熱或很涼,其實是對於這個物體中所有瘋狂地做著熱運動的原子,所提出的一個統計概念,用較高的溫度來表示原子熱運動劇烈,用較低的溫度來表示原子熱運動不那麼劇烈。

薛定諤:生命以負熵為生

溫度唯一的意義,就是代表原子熱運動是程度

再比如,我們說“擴散”,一種化學物質在水中逐漸擴散,從巨集觀上,我們說濃度梯度越大的地方,擴散的速度也越大,但是,對於每個原子來說,它並不能感受到濃度梯度,它只是在無頭無腦的熱運動而已,而在任意一個截面上,整體來看,同一時間段內,原子多的一側就必然有更多的原子穿過截面,最終表現為擴散。

聽到這裡,我們應該能夠理解一個問題了,那就是——

為什麼生命相對於原子來說如此之大

也許不少同學思考過這樣一個問題,為什麼生物的尺寸這麼大,而不是再小几個數量級?有沒有可能有少量原子組成的生命?

沒有。

因為生命要想生存,需要一個基本的功能,就是“感覺”。比如人類,需要視覺、聽覺、觸覺等等。而所謂感覺必須是“穩定的訊號”,這就意味著必須是在感覺“足夠多數量的原子團”。一旦原子數量過少,我們感覺到的訊號就非常不穩定,不符合統計規律,那麼人類就變成沒有感覺的物體了。

就好像一個測量儀器,如果它過於靈敏,那麼它其實是最無用的。

所以,人類的思維只能建立在“有序”的物質上

然而,生命體本體與生命體內部的物質,似乎在執行著完全不同的物理定律。

量子力學與基因突變

我們現在已經知道,生命體遵循著一個基本規律,這個規律如此重要,以至於被稱為生命科學的“中心法則”,如下圖所示——

薛定諤:生命以負熵為生

從圖中我們已經感覺到一個與前面有些矛盾的問題,那就是,原子熱運動是非常不穩定的,所以必須有大量的原子統計出穩定的規律,但是,DNA分子的原子數量並不大,為什麼就能如此穩定,如此可靠?

我們現在知道,DNA分子的雙螺旋結構是非常穩定的,用量子力學的觀點來說,就是處在一個“能量最低狀態”——

薛定諤:生命以負熵為生

分子若想產生不穩定的構型變化,其實是不能夠連續的移動的,只能夠從大量不連續的狀態中選擇,這些狀態被稱為“能級”,而從一種狀態變成另一種狀態則稱為“量子躍遷”,對於DNA分子來說,也就是所謂的“突變”。

幸運的是,通過計算,我們發現突變的機率非常之小,提高溫度可以提高突變的概率,如果暴露在X射線下則突變率會大大提升。

鋪墊了這麼多,終於可以展開我們今天的核心思想了——

生命究竟是什麼?

或者這樣問:“怎樣的一團物質可以被認為是活物呢?”

水可以沸騰,化學物質可以激烈反應,然而,隨著時間的流逝,系統一定會衰退為永恆不變的狀態,不會再發生任何可觀測的事件,成為一團死寂,物理學中稱為“熱力學平衡”或“最大熵狀態”。

熵(Entropy)是個非常重要的概念,尤其對於生命而言。通常,我們會這樣解釋:熵就是“混亂度”,負熵就是“序”

萬事萬物,都會自發向最大熵狀態變化,這其實也就是我們熟知的“熱力學第二定律”了。

不過,你有沒有仔細想過,究竟什麼叫做“混亂”呢?水中的化學物質,擴散前後相比,誰更混亂呢?

其實,還有一種很好地理解熵概念的思路——熵是達成同一狀態的方式數,熵就是機率,熵就是機率的能量等價體

所以,姑且也可以這麼去簡單理解,原子熱運動自發形成一團漿糊的機率很大,因此熵大,自發形成一塊手錶的機率非常小,這時熵小。

既然萬事萬物都會自發向最大熵狀態變化,那麼生命就必須能夠產生或吸取對抗熵增的物質,也就是“負熵”。生物學中所說的“新陳代謝”,就是這個及時全部消除那些無時無刻不得不產生的熵。

所以,生命以負熵為生

薛定諤:生命以負熵為生

說到這裡,不禁讓人唏噓不已、浮想聯翩,原來生命之所求,無非“序”也;其中可能產生的哲學思考,留待讀者們一同在評論區探討研究。

科技千里眼頭條號,長期致力於以最易懂的講解詮釋科學技術知識,與中國所有自我教育者一同學習、理解科技、認識世界。已釋出專欄包括線性代數、微積分、概率統計、理論力學、材料力學、結構力學、流體力學、傳熱學、MATLAB、有限元、多物理場、材料科學、計算機原理、流變學、COMSOL、仿生學等各個方面,抓住核心思想,提煉學科精華,重構知識體系,用生動極簡的語言,極速理解理論力學學科精要,輕鬆掌握學科應用。

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