編譯 喬琦

自麥克斯韋引入著名的“妖”概念以來(lái)，信息與物理學(xué)之間的聯(lián)系就已經(jīng)不言而喻。如今，信息甚至可能成為連接物理學(xué)與生物學(xué)的關(guān)鍵概念。

在物理學(xué)家看來(lái)，生命就像魔術(shù)。生物取得的成就如此耀眼又如此神秘，我們甚至因此忘記了生物也是由尋常原子構(gòu)成。然而，如果生命的奧秘并不是構(gòu)成它的那些物質(zhì)，會(huì)是什么呢？是什么賦予了生物體如此不同的生命活力，使它們?nèi)绱伺c眾不同？這正是埃爾溫?薛定諤（Erwin Schr?dinger）1943年在愛爾蘭都柏林所做的一系列著名講座上提出的問題。第二年，他又在頗有影響力的著作《生命是什么？》中正式發(fā)表了這個(gè)問題。

薛定諤是理論物理學(xué)巨匠，也是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一，而量子力學(xué)是迄今為止最成功的科學(xué)理論。例如，將量子力學(xué)應(yīng)用于電磁場(chǎng)時(shí)，它能正確預(yù)言電子的異常磁矩，精度超過(guò)10位有效數(shù)字。量子力學(xué)幾乎一下子就解釋了所有非生命物質(zhì)的性質(zhì)，從亞原子粒子到原子、分子，再到恒星，似乎就沒有它不能解釋的。然而，量子力學(xué)沒能解釋生命物質(zhì)，這令人沮喪。另外，雖然生物學(xué)在量子力學(xué)誕生之后的幾十年里進(jìn)展神速，但生命之謎仍舊沒有揭開。沒有人能肯定地回答“生命是什么”以及“生命如何開始”。

在被問及“物理學(xué)是否能解釋生命”時(shí)，大多數(shù)物理學(xué)家的回答是肯定。然而，更為切題的問法應(yīng)該是：目前已知的物理學(xué)是否能夠解釋生命，或者說(shuō)，我們是否需要全新的基礎(chǔ)物理理論？20世紀(jì)30年代，量子力學(xué)的眾多設(shè)計(jì)師——最為知名的當(dāng)屬尼爾斯?玻爾（Niels Bohr）、尤金?維格納（Eugene Wigner）和維爾納?海森堡（Werner Heisenberg）——就已經(jīng)預(yù)感到：在有關(guān)生命物質(zhì)的物理學(xué)中，的確存在一些全新和不同的東西。

對(duì)此，薛定諤并沒有明確表態(tài)，但他對(duì)這種可能性持開放態(tài)度?！拔覀兛赡軙?huì)找到在生命物質(zhì)中普適的全新物理學(xué)定律，必須做好準(zhǔn)備?！彼茢嗾f(shuō)。不過(guò)，薛定諤并沒有明確提出這類物理學(xué)定律究竟是什么。

這類問題已經(jīng)超越了純粹的學(xué)術(shù)問題。天體生物學(xué)的核心目標(biāo)就是在地球之外尋找生命的蹤跡，但如果沒有生命的定義，那就很難精確知道在尋找什么。舉個(gè)例子，美國(guó)宇航局正在籌劃一次飛行任務(wù)，目標(biāo)是讓探測(cè)器穿過(guò)土衛(wèi)二恩科拉多斯（我們已經(jīng)確定這顆土星衛(wèi)星上存在有機(jī)分子）冰殼裂隙中噴射出的羽狀物。那么，我們要怎么才能讓懷疑論者相信這些羽狀物中包含生命，或者包含曾經(jīng)是生命的有機(jī)體的碎屑，而不是某種形式的前生命物質(zhì)？與測(cè)量磁場(chǎng)這樣的行動(dòng)不同，對(duì)于生命，科學(xué)家暫時(shí)還沒有任何形式的標(biāo)準(zhǔn)，以量化化學(xué)混合物向已知生命形式演化的過(guò)程，更不用提外星生命形式了。

圖1 黏液菌。這些自由單細(xì)胞構(gòu)成的集合有時(shí)會(huì)結(jié)成合作聯(lián)盟，表現(xiàn)得就像擁有共同計(jì)劃的單一有機(jī)體一樣

大多數(shù)天體生物學(xué)家重點(diǎn)關(guān)注我們所知的生命特征。例如，美國(guó)宇航局在20世紀(jì)70年代開展的“海盜”系列探測(cè)火星的任務(wù)，就利用了可食用的陸地生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)湯搜尋火星上碳代謝的蹤跡。另一種經(jīng)常被天體生物學(xué)家提及的生命特征就是同手性。雖然物理學(xué)定律并不關(guān)心左右手性的問題，但目前已知的地球生命確實(shí)都使用了左旋氨基酸和右旋核糖。然而，無(wú)機(jī)土壤中的化學(xué)環(huán)境也能產(chǎn)生類似新陳代謝的效果，且沒有生命參與的化學(xué)循環(huán)在重復(fù)多次后也足以產(chǎn)生同手性現(xiàn)象。因此，這些天體生物學(xué)家設(shè)想的生命特征并不是決定性的，要想確認(rèn)地球之外的生命就更難了。

天體生物學(xué)家把希望寄托在探測(cè)太陽(yáng)系外行星大氣層中的氧上，但這也并不是可靠的選擇，大氣層中的氧并不是光合作用的明確標(biāo)志，因?yàn)榉巧镞^(guò)程也能產(chǎn)生含氧大氣層。我們?nèi)狈Κ?dú)立于生化基底的關(guān)于“活著”的定義。是否存在更深層的普適原理，為我們指出毫無(wú)爭(zhēng)議的生物標(biāo)志，即便是我們目前尚不知曉的生命形式也能憑此加以判斷？

兩種文化

物理學(xué)與生物學(xué)之間的分歧可不只是復(fù)雜性上的問題，這兩門學(xué)科在概念框架上也存在本質(zhì)上的不同。

物理學(xué)家通過(guò)能量、熵、分子力、反應(yīng)率這樣的概念研究生物。生物學(xué)家則完全不同，他們考察的是諸如信號(hào)、編碼、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)換這樣的概念——也是信息的語(yǔ)言。令人驚奇的全新基因編輯技術(shù)CRISPR就是很好的例子。這項(xiàng)技術(shù)賦予了科學(xué)家編輯生命密碼本的能力。欣欣向榮的生物物理學(xué)試圖通過(guò)對(duì)各類生物控制網(wǎng)絡(luò)的信息流動(dòng)和存儲(chǔ)的模式建模以跨越這兩門學(xué)科之間的概念鴻溝。

生命在各個(gè)層面上（不只是DNA）都會(huì)進(jìn)行信息存儲(chǔ)和處理?；颉鸬郊用苤噶罴饔玫腄NA序列——可以通過(guò)化學(xué)信使開關(guān)其他基因，并且常常會(huì)形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。那些化學(xué)回路就像是電子元件或計(jì)算組件，有時(shí)也會(huì)充當(dāng)執(zhí)行邏輯運(yùn)算的模塊或門。

在細(xì)胞層面上，有多種物理機(jī)制會(huì)發(fā)出信號(hào)，進(jìn)而促成合作行為。圖1所示的黏液菌就是極好的例子。它們其實(shí)只是諸多單細(xì)胞構(gòu)成的集合，但可以自組織形成引人矚目的形狀，有時(shí)還會(huì)表現(xiàn)出統(tǒng)一的行為，就好像它們是單個(gè)有機(jī)體一樣。類似，像螞蟻和蜜蜂這樣的社會(huì)性昆蟲會(huì)互相交換復(fù)雜信息并且參與集體決策，而人類大腦則是極為復(fù)雜的信息處理系統(tǒng)。

生命的信息基礎(chǔ)讓部分科學(xué)家發(fā)布了這樣的非正式聲明：生命=物質(zhì)+信息。然而，要想通過(guò)這個(gè)等式做出真正有效的解釋和預(yù)測(cè)，就必須構(gòu)建能夠把物質(zhì)和信息聯(lián)系起來(lái)的理論框架。這種聯(lián)系的第一條線索出現(xiàn)于1867年。當(dāng)時(shí)，在寫給朋友的一封信中，蘇格蘭物理學(xué)家麥克斯韋構(gòu)想了一種能夠感知盒中氣體分子的微小生物。這種生物很快就頂著“麥克斯韋妖”的名頭為大家所知。如圖2盒中場(chǎng)景所示，這個(gè)小東西能通過(guò)操作隔板及小門將所有運(yùn)動(dòng)速度較快的分子趕到盒子左側(cè)，把運(yùn)動(dòng)速度較慢的分子趕到盒子右側(cè)。

圖2 “麥克斯韋妖”示意圖

麥克斯韋妖

圖2展示的是一個(gè)裝有氣體的盒子，中間有一塊帶著小門的隔板把盒子分成兩個(gè)小房間，氣體分子（灰色圓）可以一個(gè)一個(gè)穿過(guò)小門?？刂七@扇小門的就是麥克斯韋1867年的腦力勞動(dòng)產(chǎn)物：一只時(shí)刻觀察著隨機(jī)運(yùn)動(dòng)分子的小妖，它會(huì)盡職操作小門以保證運(yùn)動(dòng)速度較快的分子從右側(cè)房間運(yùn)動(dòng)到左側(cè)，而運(yùn)動(dòng)速度較慢的分子則被它“趕”到右側(cè)。于是，我們就可以利用這樣一種機(jī)制把無(wú)序的分子運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成有方向的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

在其誕生之后的幾十年里，麥克斯韋妖的概念一直是人們不愿直面的物理學(xué)核心問題，大多數(shù)人都只是把它當(dāng)作理論謎團(tuán)。麥克斯韋提出這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)一個(gè)世紀(jì)后，一只真正的妖在他的出生地愛丁堡的一間實(shí)驗(yàn)室中誕生了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)由一個(gè)套在桿上、可以前后滑動(dòng)的分子環(huán)構(gòu)成，桿的末端裝有塞子，中部待著另一個(gè)分子。這個(gè)分子有兩種狀態(tài)：一是阻隔分子環(huán)，使其不得前進(jìn)；二是放行，讓分子環(huán)通過(guò)。因此，這個(gè)分子就起到了門的作用，與麥克斯韋最初構(gòu)想的小門類似。

自那之后就興起了一個(gè)制造這種“妖”設(shè)備的產(chǎn)業(yè)，其中包括芬蘭阿爾托大學(xué)尤卡?佩科拉（Jukka Pekola）領(lǐng)導(dǎo)的納米科學(xué)研究小組和石溪大學(xué)德米特里?艾弗林（Dmitri Averin）共同研制的信息驅(qū)動(dòng)冰箱。在這款冰箱中，充當(dāng)氣體分子的是一枚處于雙面納米盒中的電子，且這個(gè)納米盒與一個(gè)熱浴耦合。冷卻循環(huán)利用納米盒的兩種簡(jiǎn)并態(tài)獲取一定電子能量。循環(huán)開始時(shí)，電子處于一種確定的非簡(jiǎn)并態(tài)。外部電場(chǎng)可以把電子能量提高到簡(jiǎn)并能級(jí)，在這種能量下，電子可以處于兩種狀態(tài)中的任何一種，且概率相等。

這種不確定性的介入代表電子的熵增加，而熱浴的熵及溫度則相應(yīng)減少。這個(gè)時(shí)候，妖——第一個(gè)電子盒耦合的另一個(gè)單電子盒——就開始發(fā)揮作用。它會(huì)偵測(cè)到電子究竟處于哪種狀態(tài)，并且自動(dòng)把這個(gè)信息反饋給驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，后者則根據(jù)這條信息迅速將電子的狀態(tài)調(diào)回初始時(shí)的非簡(jiǎn)并態(tài)并完成整個(gè)冷卻循環(huán)。研究人員發(fā)現(xiàn)，每次循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比特的信息——表明電子處于循環(huán)之中——這個(gè)過(guò)程能以75%的平均效率從熱浴中汲取熱量。麥克斯韋沒錯(cuò)，信息真的可以充當(dāng)某種形式的燃料。

因?yàn)榉肿舆\(yùn)動(dòng)速度是對(duì)溫度的一種度量，所以從效果上來(lái)說(shuō)，這個(gè)小妖會(huì)利用有關(guān)分子的信息在盒內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)熱量梯度。然后，工程師就可以從這個(gè)梯度中汲取能量并加以利用。從表面上看，麥克斯韋無(wú)視熱力學(xué)第二定律，設(shè)計(jì)了一部由信息驅(qū)動(dòng)的永動(dòng)機(jī)。

為了解決這個(gè)悖論，我們就必須量化信息并將其正式整合到熱力學(xué)定律中。20世紀(jì)40年代末，克勞德?香農(nóng)（Claude Shannon）構(gòu)建了現(xiàn)代信息理論的基礎(chǔ)。他將信息定義為不確定性的下降。舉一個(gè)統(tǒng)計(jì)擲硬幣結(jié)果的例子，用我們熟悉的二進(jìn)制數(shù)字，或者說(shuō)比特，來(lái)表征擲硬幣得到的信息——正面向上還是背面向上。綜合應(yīng)用香農(nóng)的信息理論和熱力學(xué)定律，我們就會(huì)把信息認(rèn)定為負(fù)熵。小妖為提升熱力學(xué)有序度獲取的所有信息都必須以某些階段的熵增為代價(jià)。例如，為了讓小妖重啟循環(huán)，就必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候擦除并重置它的記憶庫(kù)。

麥克斯韋只是把他的妖當(dāng)成思想實(shí)驗(yàn)，但如今納米技術(shù)的發(fā)展讓我們得以在實(shí)驗(yàn)層面上實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法（比如前文所述的電子盒）。不過(guò)，生命在幾十億年的發(fā)展歷程中一直在創(chuàng)造并利用各種妖。我們的身體中到處都是它們的身影——復(fù)制DNA，沿著纖維運(yùn)送“貨物”，把質(zhì)子抽送到細(xì)胞膜中的各類分子機(jī)制等，運(yùn)作方式非常接近理想熱力學(xué)極限。它們利用熱力學(xué)第二定律獲取能量。人類大腦也在回路中使用了一類妖——電壓門控離子通道——以傳送電信號(hào)。有了那些離子通道，大腦才能用相當(dāng)于一只昏暗電燈泡的能量完成工作，且計(jì)算能力相當(dāng)于一臺(tái)兆瓦級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)。

圖3 8～9周的人類胚胎，38毫米長(zhǎng)

生物信息的環(huán)境屬性

這種“妖”機(jī)制只是生命信息的冰山一角。生物信息的作用遠(yuǎn)不止優(yōu)化能量分配，它還常常起到管理者的作用。想想受精卵發(fā)育成胚胎（圖3）的方式。發(fā)育過(guò)程的每個(gè)階段都受到信息網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督，而這些信息網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)化過(guò)程中已經(jīng)微調(diào)適應(yīng)了物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程，所有這些安排的目的，都是為了讓胚胎最終能以正確的結(jié)構(gòu)和形態(tài)出現(xiàn)。

利用基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的信息流模擬胚胎形成過(guò)程的嘗試已經(jīng)取得巨大成功。從化學(xué)角度上說(shuō)，加州理工大學(xué)的埃里克?戴維森（Eric Davidson）和他的合作者已經(jīng)繪制了管控海膽早期發(fā)育過(guò)程的基因網(wǎng)絡(luò)的完整線路圖。通過(guò)追蹤信息流，這個(gè)研究小組編寫程序來(lái)模擬基因網(wǎng)絡(luò)演化過(guò)程。他們?cè)诿總€(gè)階段都會(huì)將回路狀態(tài)的計(jì)算機(jī)模型同實(shí)際觀察到的海膽發(fā)育階段作比較，結(jié)果驚人地吻合。研究人員還在計(jì)算機(jī)模型中考慮了化學(xué)沉默特異性基因的影響，以預(yù)測(cè)突變胚胎的情況。結(jié)果，模型預(yù)測(cè)再一次與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相符。

普林斯頓大學(xué)托馬斯?格雷格（Thomas Gregor）和威廉?比亞萊克（William Bialek）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組一直在研究果蠅發(fā)育的初期階段，尤其是果蠅的標(biāo)志性形態(tài)特征最初是怎么出現(xiàn)的。在發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞需要知道三維空間中它們與其他細(xì)胞之間的相對(duì)位置。那么，它們是怎么獲得那些位置信息的呢？很早之前，我們就知道細(xì)胞可以充當(dāng)某種以化學(xué)梯度為基礎(chǔ)的GPS，而這些化學(xué)梯度又由特定基因的表達(dá)水平管控。普林斯頓大學(xué)的這個(gè)研究小組最近把重點(diǎn)放在了四個(gè)所謂的“間隙基因”上。這些基因通過(guò)在身體平面圖中創(chuàng)造間隙或條帶為胚胎基本模型打下基礎(chǔ)。研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞利用貝葉斯概率從基因表達(dá)水平中提取最佳位置信息，并且誤差小到了令人咋舌的1%。他們將一個(gè)優(yōu)化貝葉斯模型應(yīng)用到誘變菌株上，并且成功預(yù)測(cè)了修正后的菌株形態(tài)。

所有這些實(shí)驗(yàn)分析都提出了一個(gè)至關(guān)重要的哲學(xué)問題，直指物理學(xué)與生物學(xué)概念不匹配問題的核心。我們現(xiàn)在通常把針對(duì)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯算法應(yīng)用的研究看作現(xiàn)象學(xué)模型，在該模型中，“信息”是生成真實(shí)有機(jī)體的逼真模擬的簡(jiǎn)便替代或標(biāo)簽。然而，麥克斯韋妖的思想實(shí)驗(yàn)告訴我們，信息其實(shí)是一種可以深刻影響物質(zhì)行為的物理量。按照香農(nóng)定義，信息不只是一種非正式參數(shù)，更是一種在熱力學(xué)定律中有明確位置的基礎(chǔ)物理學(xué)變量。

香農(nóng)強(qiáng)調(diào)，他的信息理論純粹處理的是信息流的效率和能力，不涉及任何信息傳播的意義。然而，在生物學(xué)中，意義或語(yǔ)境非常重要。我們要怎樣才能從數(shù)學(xué)角度捕捉指令信息、監(jiān)管信息或者語(yǔ)境信息的屬性呢？一種方法是分子生物學(xué)的所謂“中心法則”（克里克和沃森提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)之后10年左右杜撰的術(shù)語(yǔ)），即認(rèn)為信息只會(huì)單向流動(dòng)，從DNA流向蛋白質(zhì)再流向有機(jī)體。我們也可以稱這是一種“自下而上”的流動(dòng)。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知曉，生物學(xué)中的信息轉(zhuǎn)移其實(shí)是一種雙向過(guò)程，涉及反饋循環(huán)和自上而下的信息流。例如，如果培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的細(xì)胞太過(guò)擁擠，它們就會(huì)停止分裂，這個(gè)現(xiàn)象叫做接觸抑制。另外，在國(guó)際空間站開展的微生物實(shí)驗(yàn)則表明，零重力環(huán)境下的細(xì)菌基因表達(dá)與地球環(huán)境不同。顯然，系統(tǒng)層面上的物理力能夠影響分子層面上的基因表達(dá)。

塔夫斯大學(xué)艾倫發(fā)現(xiàn)中心邁克爾?列文（Michael Levin）及其同事的工作就是自上而下信息流的極好例子。列文領(lǐng)導(dǎo)的這個(gè)小組正在研究在某些生物的生長(zhǎng)和形態(tài)控制實(shí)驗(yàn)中，為什么系統(tǒng)層面的電模式與機(jī)械力及化學(xué)模式同等重要？

健康細(xì)胞是電極化的，它們通過(guò)抽送離子在細(xì)胞壁間維持了上百毫伏的電勢(shì)差。相較之下，癌細(xì)胞是去極化的。

列文研究小組發(fā)現(xiàn)，在多細(xì)胞生物中，各組織之間的細(xì)胞極化模式在生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、傷口愈合以及器官再生過(guò)程中都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。研究小組運(yùn)用化學(xué)手段打亂了這些生物電模式，成功催生了全新的生物形態(tài)。某種扁渦蟲為開展這類實(shí)驗(yàn)提供了便利（圖4）。在正常情況下，如果把這種扁渦蟲砍為兩截，原先的頭部就會(huì)長(zhǎng)出新尾巴，原先的尾巴則會(huì)長(zhǎng)出新腦袋，這樣就產(chǎn)生了兩條完整的扁渦蟲。不過(guò)，在改變傷口附近的電極化狀態(tài)之后，我們得到的就不是兩只正常扁渦蟲了，而是兩只雙頭扁渦蟲或雙尾扁渦蟲。

令人驚異的是，如果我們繼續(xù)把雙頭扁渦蟲截為兩段，它們并不會(huì)回到正常的表現(xiàn)型，即并不會(huì)變成正常的單頭扁渦蟲。雙頭扁渦蟲在一分為二后產(chǎn)生的仍是雙頭扁渦蟲，雙尾扁渦蟲也是如此。雖然雙頭/雙尾扁渦蟲與正常扁渦蟲的DNA完全一致，但在外觀上似乎就成了兩個(gè)物種。系統(tǒng)的形態(tài)信息必然是以分散的形式儲(chǔ)存在截?cái)嗟慕M織中，并且各自在基因?qū)用嫔现笇?dǎo)正確的再生過(guò)程。不過(guò)，這個(gè)過(guò)程到底是怎么發(fā)生的呢？電信號(hào)密碼是否與遺傳密碼協(xié)同工作？

表觀遺傳學(xué)是指一些超越基因?qū)用媲夷軟Q定表現(xiàn)型的因素，比如總物理力。我們現(xiàn)在對(duì)表觀遺傳過(guò)程中的信息存儲(chǔ)、加工和傳播機(jī)制幾乎一無(wú)所知，但它們?cè)谏飳W(xué)中起到了至關(guān)重要的作用。要想在這方面取得進(jìn)展，我們需要研究不同類型的信息模式（生物電信息、化學(xué)信息、遺傳學(xué)信息）之間如何發(fā)生相互作用，以產(chǎn)生能夠管理生命物質(zhì)組織并將其翻譯為特定表現(xiàn)型的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

從信息角度而非分子角度思考生命物質(zhì)涉及的物理學(xué)問題與計(jì)算科學(xué)中軟件與硬件的差別類似。全面理解某個(gè)特定的計(jì)算機(jī)應(yīng)用不但需要掌握軟件工程原理，而且對(duì)計(jì)算機(jī)電路涉及的物理學(xué)也需要有同樣的認(rèn)識(shí)。類似，只有在我們?nèi)媪私馍镄畔C(jī)制之后，才能真正理解生命。

動(dòng)力學(xué)的新概念

自牛頓時(shí)代以來(lái)，主導(dǎo)物理學(xué)的一直是基本二元論。雖然物理狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間而改變，但基本物理學(xué)定律通常是永恒不變的。這一假設(shè)是漢密爾頓動(dòng)力學(xué)、軌跡可積性和遍歷性的基礎(chǔ)。然而，把物理學(xué)定律不會(huì)改變這個(gè)假設(shè)應(yīng)用到生物系統(tǒng)中時(shí)，就有點(diǎn)“水土不服”了。在生物系統(tǒng)中，信息的動(dòng)力學(xué)模式與時(shí)間依賴的化學(xué)網(wǎng)絡(luò)相耦合，并且信息表達(dá)——比如基因的開啟——既可以受整體或系統(tǒng)物理力控制，也可以由局部化學(xué)信號(hào)管控。

圖4 人為操控電極化狀態(tài)產(chǎn)生的一只雙頭扁渦蟲

以高度多樣性、創(chuàng)新性和不可預(yù)測(cè)性為特征的生物演化過(guò)程與非生命系統(tǒng)的時(shí)變方式形成了鮮明對(duì)比。然而，生物學(xué)并不等同于混亂，我們也能在這個(gè)領(lǐng)域中找到許多能確實(shí)發(fā)揮作用的規(guī)律。以具有普遍性的遺傳密碼為例，核苷酸三聯(lián)體CGT會(huì)編碼精氨酸。雖然這個(gè)現(xiàn)象或規(guī)則目前還沒有出現(xiàn)過(guò)例外情況，但如果你把它看作自然定律（就像絕對(duì)正確的萬(wàn)有引力定律一樣），那絕對(duì)是一種錯(cuò)誤。幾乎可以肯定的是，CGT編碼精氨酸這種現(xiàn)象必然是上百萬(wàn)年前從某些更早、更簡(jiǎn)單的規(guī)則演化而來(lái)。生物學(xué)中還有許多這樣的案例。更有現(xiàn)實(shí)意義的生物系統(tǒng)變化描述應(yīng)該是把動(dòng)力學(xué)規(guī)則的變化視為系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)。這種隨狀態(tài)改變的動(dòng)力學(xué)機(jī)制（狀態(tài)依賴動(dòng)力學(xué)機(jī)制）開辟了包含無(wú)數(shù)新奇行為的廣闊天地，但遠(yuǎn)不是正式的數(shù)學(xué)理論。那么，這種新動(dòng)力學(xué)機(jī)制與正式數(shù)學(xué)理論之間還差點(diǎn)什么呢？我們拿國(guó)際象棋來(lái)作類比。在標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際象棋中，游戲系統(tǒng)封閉且規(guī)則固定。從正常初始狀態(tài)開始，國(guó)際象棋棋手可以自由探索棋局的后續(xù)狀態(tài)。雖然后續(xù)的可能狀態(tài)有很多，但會(huì)受到不可改變的對(duì)弈規(guī)則的限制，因而也只會(huì)是所有可能出現(xiàn)的棋局的微小子集。也就是說(shuō)，雖然規(guī)則容許的棋局狀態(tài)有許多，但規(guī)則禁止的棋局狀態(tài)更多，比如，所有象都處在相同顏色的方格內(nèi)就是規(guī)則禁止出現(xiàn)的一種棋局狀態(tài)。

以高度多樣性、創(chuàng)新性和不可預(yù)測(cè)性為特征的生物演化過(guò)程與非生命系統(tǒng)的時(shí)變方式形成了鮮明對(duì)比。

現(xiàn)在，我們想象一種修正版的國(guó)際象棋：規(guī)則可以隨棋局的整體狀態(tài)而改變，即一種系統(tǒng)層面、自上而下的標(biāo)準(zhǔn)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子，如果白方即將獲勝，那么規(guī)則就會(huì)變?yōu)楹诜降谋梢郧昂笠苿?dòng)，而非只能向前。在這種“進(jìn)階版”國(guó)際象棋中，整個(gè)系統(tǒng)處于開放狀態(tài)，出現(xiàn)的棋局狀態(tài)也會(huì)是固定規(guī)則下的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際象棋所禁止的。生物學(xué)其實(shí)就和這種想象中的國(guó)際象棋類似，其中，生物體同樣也是開放系統(tǒng)，容許非生命系統(tǒng)禁止的事情發(fā)生。

為了探索把這種狀態(tài)依賴動(dòng)力學(xué)機(jī)制放在以自上而下信息流為特征的簡(jiǎn)單模型中會(huì)產(chǎn)生什么效果，我在亞利桑那州立大學(xué)的研究小組運(yùn)用了一種修正版的一維細(xì)胞自動(dòng)機(jī)（cellular automaton）。標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)該是一排細(xì)胞——用方格或者像素來(lái)模擬——要么是空的，要么是實(shí)的（分別用白和黑表示，當(dāng)然也可以用其他方法表示）。然后就要用固定規(guī)則根據(jù)每個(gè)細(xì)胞及其最近鄰居的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)來(lái)更新它們的下一步狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)有256種可能的更新規(guī)則。

這個(gè)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)游戲是這么玩的：先選一個(gè)初始細(xì)胞模式——用二進(jìn)制序列（0或1）表示會(huì)比較方便——然后再反復(fù)應(yīng)用挑選出來(lái)的更新規(guī)則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)演化。許多更新規(guī)則只會(huì)引出毫無(wú)意義的結(jié)果，但有一些會(huì)產(chǎn)生具有相當(dāng)復(fù)雜性的精致模式。為了應(yīng)用機(jī)制隨狀態(tài)改變的修正版細(xì)胞自動(dòng)機(jī)，我的同事阿利薩?亞當(dāng)斯（Alyssa Adams）和薩拉?沃克（Sara Walker）通過(guò)計(jì)算機(jī)手段耦合了兩種標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)，一種代表生物體，另一種代表環(huán)境。

然后，他倆允許生物體的更新規(guī)則在每次更新?lián)Q代時(shí)改變。那么，每次更新時(shí)如何在256條規(guī)則中挑選呢？為此，他們把生物體細(xì)胞自動(dòng)機(jī)中的細(xì)胞捆綁成相鄰“三胞胎”形式——000、010、110，以此類推；然后再將每個(gè)三胞胎的相對(duì)出現(xiàn)頻率同環(huán)境細(xì)胞自動(dòng)機(jī)中的相同模式作對(duì)比。這樣一種設(shè)定就把更新規(guī)則改變成了生物體狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)共同的函數(shù)。更新規(guī)則是生物體狀態(tài)的函數(shù)，意味著它有自我參照；是環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)，意味著它是開放系統(tǒng)。

亞當(dāng)斯和沃克在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行產(chǎn)生了上萬(wàn)個(gè)研究案例，并試圖從中找到一些有意思的模式。他們想要認(rèn)證那些既具有開放性（生物體不會(huì)迅速通過(guò)循環(huán)返回初始狀態(tài)）又具有創(chuàng)新性的進(jìn)化行為。這里的創(chuàng)新性是指：無(wú)論從何種初始狀態(tài)開始，觀測(cè)到的生物體狀態(tài)序列都永遠(yuǎn)不會(huì)與256種固定規(guī)則下的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的狀態(tài)模式相同。這就好比是在我們前面提到的修正版國(guó)際象棋中出現(xiàn)了雙方4個(gè)象最后都處在相同顏色方格中的對(duì)局狀態(tài)。雖然這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)如此開放，但這種創(chuàng)新性進(jìn)化行為仍十分稀少，只出現(xiàn)了少數(shù)明確的案例。計(jì)算機(jī)對(duì)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的模擬花了很長(zhǎng)時(shí)間，但亞當(dāng)斯和沃克的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)足夠證明，即便在他們的這個(gè)簡(jiǎn)單模型中，狀態(tài)依賴動(dòng)力學(xué)機(jī)制也能產(chǎn)生通往復(fù)雜性和多樣性的新進(jìn)化道路。他們的工作還證明，只是加工處理信息是不夠的。要想全面體現(xiàn)生物學(xué)多樣性，約束信息處理過(guò)程的規(guī)則本身也必須進(jìn)化。

量子邊緣的生命

如果生物學(xué)應(yīng)用我們目前尚不了解的全新物理學(xué)，比如前面所說(shuō)的狀態(tài)依賴動(dòng)力學(xué)機(jī)制，那么這種物理學(xué)會(huì)在簡(jiǎn)單分子與生物細(xì)胞之間的哪個(gè)節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)？細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型確實(shí)能為我們提供許多信息，但它們只是計(jì)算機(jī)勾勒出來(lái)的“動(dòng)畫”，并不是物理學(xué)，也沒有告訴我們?nèi)魏斡嘘P(guān)去哪兒尋找這些新興現(xiàn)象的信息。實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)中已經(jīng)出現(xiàn)了狀態(tài)依賴動(dòng)力學(xué)機(jī)制，而且我們也相當(dāng)熟悉，那就是量子力學(xué)。

用相干波函數(shù)描述處于孤立狀態(tài)的純量子態(tài)，我們就可以根據(jù)充分掌握了的數(shù)學(xué)方法（即“幺正演化”）準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這種量子態(tài)的演化過(guò)程。不過(guò)，在測(cè)量之后，這個(gè)量子態(tài)就會(huì)突然改變，這個(gè)現(xiàn)象叫作波函數(shù)坍縮。如果測(cè)量結(jié)果理想，那么量子態(tài)的躍遷會(huì)把系統(tǒng)投射到與被測(cè)量的可測(cè)量對(duì)應(yīng)的可能本征態(tài)上。這時(shí)候，幺正演化就被玻恩規(guī)則代替，后者能預(yù)測(cè)各種可能測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)的相對(duì)概率，并且將非決定性或不確定性引入量子力學(xué)。這標(biāo)志著從量子領(lǐng)域到傳統(tǒng)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變。那么，量子力學(xué)能告訴我們是什么讓生命生生不息嗎？

薛定諤在他著名的都柏林系列講座中提出，量子力學(xué)應(yīng)該能解釋遺傳信息儲(chǔ)存的穩(wěn)定性問題。早在克里克和沃森闡述DNA結(jié)構(gòu)之前，薛定諤就已經(jīng)推斷出，這類信息在分子層面上必須儲(chǔ)存在他命名為“非周期晶體”的結(jié)構(gòu)中，事實(shí)證明，這個(gè)說(shuō)法正是對(duì)核酸聚合體的感性描述。然而，量子現(xiàn)象是否可能在生物體中起到更為普遍的作用，這個(gè)問題仍舊沒有定論。

從薛定諤都柏林講座到DNA結(jié)構(gòu)提出的幾十年里，大家普遍秉持的主流觀點(diǎn)是：在生命物質(zhì)這種溫暖、嘈雜的環(huán)境中，量子現(xiàn)象會(huì)被扼殺，經(jīng)典化學(xué)就足以解釋生命。不過(guò)，最近的十多年里，大家開始覺得非平凡量子現(xiàn)象（比如疊加、糾纏和隧道效應(yīng)）終究可能對(duì)生命頗為重要，對(duì)這些現(xiàn)象與生命間聯(lián)系的興趣也因此與日俱增。雖然懷疑的聲音仍舊不小，但量子生物學(xué)這個(gè)新興領(lǐng)域現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入深入研究階段，且重點(diǎn)研究課題涵蓋范圍甚廣，比如光合作用中相干能量的傳輸、鳥類磁場(chǎng)羅盤以及蒼蠅的嗅覺反應(yīng)。

由量子調(diào)節(jié)的大分子領(lǐng)域確實(shí)有可能是我們見證全新物理學(xué)誕生的地方，而那種物理學(xué)正是薛定諤以及他那一代人所期盼的。

在納米尺度上研究生命物質(zhì)的量子特性是一項(xiàng)非常困難的挑戰(zhàn)。對(duì)生命運(yùn)行至關(guān)重要的那些系統(tǒng)可能幾乎不涉及任何自由度，大幅偏離熱力學(xué)平衡態(tài)，并且與熱環(huán)境強(qiáng)烈耦合。然而，事實(shí)就是如此，非平衡量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)領(lǐng)域的確是有可能產(chǎn)生全新物理學(xué)的地方。

一組可能與此相關(guān)的實(shí)驗(yàn)是通過(guò)有機(jī)分子測(cè)量電子電導(dǎo)性。最近，伽柏?瓦泰（Gábor Vattay）及其同事宣稱，許多在生物學(xué)上頗為重要的分子，比如蔗糖和維生素D3，都擁有獨(dú)特的電導(dǎo)特性。這個(gè)特性與絕緣體和金屬導(dǎo)體之間的關(guān)鍵分界點(diǎn)有關(guān)。瓦泰和同事們寫道：“這一發(fā)現(xiàn)表明，生命物質(zhì)中普遍存在著一種電荷傳導(dǎo)機(jī)制?！彪m然他們的發(fā)現(xiàn)無(wú)法證明量子怪異性能解釋生命機(jī)制，但他們的確讓我們意識(shí)到，由量子調(diào)節(jié)的大分子領(lǐng)域確實(shí)有可能是我們見證全新物理學(xué)誕生的地方，而那種物理學(xué)正是薛定諤以及他那一代人所期盼的。

思想的碰撞

理論物理學(xué)家約翰?惠勒（John Archibald Wheeler）常說(shuō)，重大科學(xué)進(jìn)展更多時(shí)候起源于思想的碰撞，而非事實(shí)的穩(wěn)定堆積。生物物理學(xué)正處于兩大科學(xué)領(lǐng)域的交匯之處：物理科學(xué)和生命科學(xué)。這兩個(gè)領(lǐng)域不但有各自的語(yǔ)言，而且有各自鮮明的概念框架。物理學(xué)的根基是力學(xué)概念，而生物學(xué)的根基則是信息概念。由此產(chǎn)生的思想碰撞預(yù)示著生物物理學(xué)必然是一片全新的科學(xué)前沿陣地。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，現(xiàn)在已經(jīng)被正式視為物理量（或者說(shuō)一組物理量）的信息占據(jù)了核心位置，且起到了整合物理學(xué)與生物學(xué)的作用。

過(guò)去幾十年內(nèi)，分子生物學(xué)的巨大進(jìn)展很大程度上應(yīng)該歸功于力學(xué)概念在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用，也就是要?dú)w功于物理學(xué)在生物學(xué)領(lǐng)域的滲透。神奇的是，現(xiàn)在發(fā)生的過(guò)程正好與此相反。許多物理學(xué)家，尤其是那些在量子力學(xué)基礎(chǔ)問題領(lǐng)域耕耘的物理學(xué)家，都提倡把信息放到物理學(xué)的核心位置。另有一部分物理學(xué)家則猜測(cè)，新物理學(xué)潛藏在惹人注目卻又令人困惑的生物有機(jī)體世界中。生物學(xué)正逐漸成為物理學(xué)的下一個(gè)偉大前沿陣地。

資料來(lái)源 Physics Today