通过量子力学阐述生命的本质

写在前面

《生命是什么》一听书名就知道，这本书讨论的话题是生命，讲生命的书很多，但本书是物理学大师埃尔温·薛定谔写的一本经典生命科普著作。

薛定谔的名字我们肯定都不陌生，他提出的那个思想实验“薛定谔的猫”，在今天更是几乎成了量子力学的代名词。

薛定谔出生于1887年，那个年代大师云集、天才辈出，可他依然是群星中最耀眼的那一批。

他是量子力学的奠基人之一，波动力学的创立者，但可能很少有人知道，除了物理学以外，薛定谔还在生物学领域有着卓越贡献，他是今天的前沿学科——分子生物学的奠基人，而他关于生物学的主要思考，就集中体现在这本书里面。

本书由薛定谔根据自己1943年在都柏林三一学院的一系列演讲整理而成，出版于1944年，在出版后的40年时间里，它在西方各国先后再版12次。

是当时分子生物学“结构学派”的理论纲领，影响了当时一大批前沿学者，在很大程度上促进了物理学和生物学的有机结合，让这两个学科的交叉领域取得了重大突破。

DNA双螺旋结构共同发现者，美国遗传学家沃森、英国生物物理学家克里克和英国物理学家威尔金斯都曾表示，自己在研究中受到过薛定谔这本书的重要启发。

本文共计7775字

阅读时长约10min

生命是什么

这本《生命是什么》整体篇幅不长，而且薛定谔在书里也不止一次地谦虚表示，自己不是一名生物学家，只是在以一个物理学家的外行视角思考生物学问题，但他依然为我们带来了极其深刻精彩的思考。

在书中，薛定谔围绕“生命是什么”这个主题，探讨了三个主要问题：

一是生命靠什么来繁衍遗传？

薛定谔科学地预测，生命通过基因把遗传信息传递给后代，而基因本质上是一种“非周期性晶体”。

二是生命靠什么来不断进化？

他认为，正是恰到好处的量子跃迁，导致基因突变，让生命的进化成为可能。

三是生命靠什么来维持运转？

薛定谔认为，生命以负熵为生，靠不断从外界吸收秩序来维持自身运转。

薛定谔的这些观点，即使放在今天也堪称新颖，如果现在听不懂也没关系，下面我们通过三个部分，一一了解。

繁衍遗传

繁衍和遗传是生命存续的基础，要想了解生命是什么，这是个绕不开的话题。

第一部分就让我们先聊聊，生命靠什么来繁衍遗传？

薛定谔认为，生命用来繁衍遗传的物质，也就是所谓的基因，肯定是一种非周期性晶体。

可薛定谔为什么这么说呢？

基因为什么得是晶体，还得是非周期性的呢？

要想回答这些问题，我们还得从生命的体积开始讲起。

地球生命的形式千变万化，大到鲸鱼大象，小到单细胞生物，体积差异其实很大，但所有这些生命都有一个共同点，那就是全部都由细胞组成。

而就算是最小的细胞，内部也包含着亿万个原子，所以如果以原子作为参照的话，其实所有生命的体积都特别大。

可为什么生命要这么大呢？

答案其实很简单，如果原子的数量太少，根本就没法组成稳定的生命形式。

这是因为，生命活动要想进行，必须得遵循一定的物理和化学规律，这样细胞内部的各种反应才不至于变成一团乱麻。

但可能和你的直觉不同，绝大多数经典物理规律，其实都是统计学意义上的规律，这些规律并不适用于单个或者数量较少的原子。

因为在微观世界，所有原子都在时刻不停地进行无规则热运动，温度越高，无规则运动就越快。

这里的无规则就是字面意思，说白了，这时候原子的运动是不遵循任何规则的，物理规律没法解释或预测原子未来的运动状态。

只有随着原子数量变得越来越多，整个系统才会变得越来越可预测，物理规律才能开始解释这些原子的集体行为。

举个例子，假设一个密闭容器里均匀充满着一团雾气，雾气由无数个极其微小的水滴组成，仔细观察这团雾气，你会发现正如预测的那样，这团雾气会受到万有引力定律的影响，整体慢慢地向下降落。

但如果在显微镜下观察某一个水滴，你又会发现物理定律失效了，这个水滴并不会垂直地下落，而是会以一个非常不规则的运动轨迹落下，时而向左时而向右，甚至偶尔再往上蹿一下，总体上会像一条蛇一样弯弯曲曲。

之所以会出现这种情况，就是因为这些液滴足够小，面对那些不断撞击其表面的单个原子或分子时，会改变自身的运动状态。

而只有当小液滴的数量足够多的时候，无规则运动相互抵消，才会整体呈现出物理规律预测的趋势。

所以你看，一个生命要想存在，就必须足够大，才能让物理规律为它最基本的生理活动保驾护航。

那具体多大才够呢？

其实并没有一个确切的数字，但薛定谔提出了一个“根号n”规则，可以用来判断物理定律的精确程度。

举个例子，如果有100个气体分子，根号100是10，就意味着大约有10个气体分子不受物理规律的影响，这时候的误差值就是10%。

如果有100万个气体分子，根号100万是1000，这时有大约1000个分子不受物理规律的影响，这时候的误差是1000除以100万，也就是0.1%。

很明显，微观粒子的数量越大，物理规律作用的精确度就越高，只有精确到一定程度，生命才有可能出现。

但这时候问题就来了，科学家们通过观察细胞里染色体的大小，推断出基因的体积一定也很小，可能只包含1000个原子，也可能更少。

那这么少的原子，理应受到无规则热运动的剧烈影响，变得特别不稳定。

可实际情况是，包括人类在内的各种生物，都能在很长时间里保证基因的稳定，比如今天的我们和一千年前我们的祖先，其实就没多大区别。

那基因是如何调和这种矛盾，以很小的体积长期维持稳定的呢？

传统物理学没法给出答案。

但量子力学的研究对象恰恰就是微观粒子，作为一名量子力学大师，薛定谔大胆预测，基因中的原子都由量子力学中的一种叫作“海特勒-伦敦力”的化学键相连接。

海特勒-伦敦力是一种非常稳定的化学键，在这种化学键的影响下，原子之间可以形成一种井然有序的晶体结构，这时候的原子能够不再受无规则热运动的干扰，从而保持自身结构的长期稳定。

但光稳定还不够，要想作为生命的遗传物质，基因还需要存储大量的遗传信息，而一般的晶体没法做到这一点。

那薛定谔是如何解决这一问题的呢？

他的答案是，基因不是一般的晶体，而是一种特殊的非周期性晶体。

所谓晶体，是指由大量原子、离子或分子按一定规则有序排列形成的固体。

薛定谔把晶体分成了两类，一类是周期性晶体，是按照一定的周期性顺序，向三维方向不断重复同样结构形成的，比如常见的氯化钠晶体、冰晶体都属此类，在这些晶体内部，原子、离子或分子按照固定顺序排列，就像家里墙砖上或地毯上的花纹一样，都是周期性重复的，内容很单调，储存不了多少信息；

另一类晶体就是非周期性晶体，顾名思义，这种晶体的内部结构不是周期性的，组成单元的排列顺序在不断变化，而这种组建顺序就像一大串密码一样，能储存大量信息。

所以薛定谔认为，基因是一种非周期性晶体。

后来的研究印证了薛定谔的猜想，当DNA向世人露出它的面纱之后，人们惊奇地发现，DNA分子完全就是薛定谔预测的那种非周期性晶体。

它以极小的尺寸维持了自身的稳定，并携带了大量信息，而生命也正是在DNA这种非周期性晶体的基础上，才得以在亿万年的时间里不断繁衍和遗传。

不断进化

好，我们讨论了生命繁衍遗传的物质基础，不过这对于理解生命是什么还远远不够。

生命的演化可以分为两面，一面是稳定，通过非周期性晶体的稳定性，生命可以保证将自己的遗传信息一代代地传递下去；

另一面则是变异，正是变异让进化成为可能，让地球生命从最原始的单细胞生物演化出今天的亿万物种。

所以接下来就让我们一起讨论生命演化的另一面，看看生命靠什么来不断进化。

正如我们刚才说的，基因需要具有很高的稳定性，但其实对生命来说，基因的突变同样必不可少。

因为自然环境在不断变化，所以生命要想适应环境、维持生存，也必须不断调整自身各方面的性状。

那调整从何而来？

答案就是基因突变，突变是生命不断适应环境、不断进化的根本前提。

基因突变十分重要，但反过来说，突变的频率也不能太高，它必须是一种稀有现象，这样才符合生命演化的客观要求。

这是因为突变有好有坏，有些突变可以帮助生命更好地适应环境，另外更多突变则可能破坏生命早已调试好的生理特征。

如果突变太过频繁，有害突变就会过多，这不仅不利于物种适应环境，反而会让物种的演化停滞不前，甚至导致灭绝。

打个比方，一个流水线要想改进生产效率，最合理的方式是每次引入一个创新，逐一验证这些创新是有利的还是有害的，要是同时引入大量创新，那流水线很快就会出现各种bug，别说提高效率了，就连最基本的生产也会难以保障。

你看，基因需要稳定，来保证最基本的繁衍和传承，同时还需要突变，来保证拥有对环境的持续适应能力，最后突变率还不能太高，这样生命系统才不会崩溃。

可见，稳定与突变之间的平衡极其重要。那基因是如何找到这个平衡点的呢？

这个问题已经超出了当时生物学能给出的解释范畴，而薛定谔敏锐地发现，其实量子力学可以给出完美的解释：

基因突变其实就是由基因分子中的量子跃迁造成的。

那什么是量子跃迁呢？

量子力学中有一个很重要的概念，那就是微观世界的不连续性。

在宏观世界中，能量总是连续的，任意两个能量值之间肯定有居中的能量值，但在微观世界中，能量则是一份一份不连续的，任意两份能量值之间不存在中间值。

打个比方，一个原子只能吸收1份或2份能量，而绝不能吸收1.5份能量，如果它遇到了1.5份能量，那也只能吸收1份，剩余的能量则会以其他形式散发出去，无法吸收。

微观粒子从一个能量状态变到另一个能量状态的过程，就叫作量子跃迁。

不管是原子还是分子，自身都有一定能量，能量越低，原子结合形成的分子就越稳定。

基因也是如此，稳定的基因分子具有较低的能量，可以一直很稳定地维持下去，只有当从外界获得超过特定阈值的能量时，才会发生量子跃迁。

而量子跃迁的后果，就是基因内部原子的排列顺序发生改变，也就是我们说的基因突变。

不过这时候又有一个问题。

假设基因发生了突变，量子跃迁让基因的能量提升了，那基因分子这种能量更高的构型，应该也会变得更不稳定才对，那它岂不是迟早会突变回去吗？

这样基因突变还有什么意义呢？

这就得说到基因分子的另一个特点了，那就是同分异构体。

对于有机分子来说，同分异构体是个很常见的现象，是说两个分子由完全相同的原子组成，但原子之间按照不同的顺序连接，导致两个分子的结构和性质也互不相同。

比如丙醇和异丙醇就是最简单的同分异构体，它们都由3个碳原子、1个氧原子和8个氢原子组成，其中3个碳原子连接成为一个短链，但不同在于，丙醇的那个氧原子连接在碳链的一端，而异丙醇的氧原子连接在碳链的正中间，就是这种组合方式的不同，让两种分子有了不同的物理化学特点。

薛定谔预言，基因分子是一种由同分异构元素组成的非周期性晶体，因为这样可以以尽量少的物质储存尽可能多的信息，而基因突变其实就是基因分子吸收能量，发生量子跃迁，从一种同分异构体变成另一种同分异构体的过程。

同分异构体的不同分子可以都很稳定，总能量都很低，彼此之间也没有相互转化的趋势。

这是因为从一种构型转变为另一种构型，必须要经过中间构型，而这个中间构型的能量比两者都高。

打个比方，两个同分异构体的能量都位于山谷，要想相互转化，就得先获得能量爬上山峰，再进入隔壁的山谷，而从山谷到山峰所需要的能量值很高，所以同分异构体之间不会自发地相互转化，基因突变之后也就不会再轻易地变回去。

明白这一点之后，基因突变恰到好处的发生率也就有了解释。

突变要想发生，就得从外界获得超过特定阈值的能量，而基因分子发生跃迁的能量阈值恰好很高，所以突变的自然发生率也就很低。

很多现象都能证明这一点，比如科学家们发现，如果用X射线照射，细胞的基因突变率就会迅速提高，这是因为X射线中含有大量能量，一旦接触就可以让基因分子的能量大幅提升，从而造成量子跃迁。

而在自然状态下，基因分子要想发生量子跃迁，能量的主要来源是无规则热运动的偶然波动，只有在极个别情况下，分子才会偶然获得超过阈值的能量。

最神奇的是，大自然在选择DNA分子作为生命的遗传物质时，就已经对它跃迁的能量阈值进行了微妙的调整，让基因突变恰好成为一种比较罕见的现象，既不会经常发生，也不会迟迟不来，在稳定和突变之间找到了完美的平衡。

可能有朋友会问，为什么基因突变的能量阈值就调整得这么恰到好处呢？

对于这个问题，薛定谔没有给出回答，因为它很可能本来就是一个巧合，如果阈值不是这么恰到好处，生命或许会以另外的形式存在，也或许根本就不会出现。

巧合并不罕见，毕竟我们今天能站在地球上，本身就是一个巨大的巧合。

维持运转

生命靠非周期性晶体的稳定性来繁衍，靠量子跃迁来实现进化，正是稳定和突变的协调配合，才造就了今天的大千世界。

不过薛定谔没有就此停下思考，而是在繁衍和进化的基础上再提高一层，站在生命宏观全局的角度，进一步探讨了生命赖以维持的根本机制。

那么接下来的第三部分，就让我们一起聊聊，生命到底在靠什么来维持运转？

在讨论这个话题前，让我们先思考一个问题：

生命的标志性特征是什么？

或者说，什么情况下我们可以说一块物质是活的？

每个人都会有自己的答案，薛定谔的答案是，生命意味着某个物体会主动持续做某种事情，比如会不停地移动，不停地和外界环境进行物质交换，等等，而且这些活动的持续时间，要比那些类似环境下的无生命物质长得多。

比如一块石头也可以移动，从山上滚下来，但它用不了多久就会停下，但一个人却可以在其一生中不断运动。

为什么无生命物体没法持续做某种事情呢？

因为如果一个系统没有生命，那么把它放在一个隔绝孤立的环境中时，其所有运动通常都会因各种摩擦力的作用而很快消停下来，电池里的电会逐渐耗尽，火盆里的火会逐渐熄灭，之后这些无生命物体就会逐渐变成一堆死气沉沉的物质，进入一种持续不变的状态，不再会有任何事情发生。

对于这种状态，物理学家们称之为“最大熵”。

多说一句，这里的“最大”是指一个隔绝孤立的系统，如果这个系统不是隔绝孤立的，那它的熵还可能继续增大。

熵，左边是一个火字旁，右边是一个商人的商，有些朋友可能听过熵这个概念，不过不一定知道它的确切含义。

薛定谔告诉我们，熵不是什么含糊不清的概念或者想法，而是一个可以测量的物理量。

它的计算方法我们就不详细介绍了，你只需要知道，在绝对零度下，任何物体的熵都是零。

随着温度上升，物体的熵会不断增加。

温度越高，微观粒子的无规则热运动就会越激烈，变得越发混乱，所以我们也可以把熵定义成“一个系统内在的混乱程度”，一个系统的混乱程度越大，熵也就越大。

我们刚才提到的无生命物体那种死气沉沉的状态，其实就是系统内部混乱程度达到最大的状态，在这种状态下，系统的温度早已因热传导而变得均匀一致，所以也被称作“热力学平衡”。

让我们举几个例子。

比如一副扑克牌，叠得整整齐齐的时候，它的熵就是最小的，把它往地上一扔，这副牌变得杂乱无章不再有规则，熵也就变大了，简称熵增了。

一件衣服，全新的时候熵最小，后面越穿越旧，又是磨损又是皱巴，混乱程度变大了，也就是熵增了。

一个人跑了一会儿步，又是出汗又是喘气，身体里原本有序的有机物被消耗，以二氧化碳和水的形式排出体外，人体这个系统的混乱程度同样增加了，这也是熵增的体现。

通过这几个例子，你有没有发现，其实所有系统在自然状态下，都有熵增的趋势？

整齐的扑克牌总会变乱，新衣服总是会变旧，人也总是在不断消耗能量而不是主动生产能量。

再比如，破镜总是难圆，覆水总是难收。

有人说，我们可以把杂乱的扑克牌重新叠好啊，这样熵不就减少了吗？

但这时候我们得把人和扑克牌看成一整个系统，在这个系统里扑克牌的熵减少了，但人体消耗能量叠扑克，反而会增加更多的熵，所以从整体上看熵还是变大了。

这其实就是热力学第二定律所表达的含义：

任何一个孤立系统，都会自发朝着最大熵的状态演化，也就是说会自然而然地变得更混乱。

关于这个现象，薛定谔总结得更形象，他说大自然中发生的一切，都意味着它所在的那部分世界的熵在增加。

世间万物如此，对生物来说也是如此，不管是走路、呼吸还是心脏跳动，所有生物都在时时刻刻增加着自身的熵。

生物的熵增什么时候是个头呢？

当生物自身的熵达到最大值时，组成这个生物的所有原子，就会以最混乱的状态重新回归宇宙，尘归尘、土归土，所以很明显，熵增的尽头就是死亡。

不难看出，对生命来说，熵不断增大是非常危险的，因为增大到一定程度就会死去。

那为了延续生命，生物又是如何应对的呢？

答案就是我们这部分讨论的主题，生命要以负熵为生。那什么是负熵呢？

其实也很好理解，既然熵是对系统混乱程度的度量，所以“负熵”和熵就正好相反，是对“系统有序程度的度量”。

那生物又是如何从外界引入负熵的呢？

这个过程我们再熟悉不过了，那就是吃、喝、呼吸、睡觉，专业术语叫新陈代谢。

换句话说，生物体会通过新陈代谢，向自身引入一连串负熵，来抵偿由生命活动产生的正熵。

正是在这种分析的基础上，薛定谔才提出他的观点：

生命要以负熵为生。

他说：有机体有一种惊人的天赋，能将秩序和有序集中到自身，或者说能从适合的环境中“汲取有序性”，从而避免它的原子衰退到混乱之中。

从这个角度来看，生命之所以神奇，就在于它能在一个永远熵增的世界里不断获得负熵。

薛定谔的这一论述可谓是语出惊人，它直击生命活动的最本质原理，用物理学的视角解释了生物学的根本问题。

沿着这一理论，我们能为很多生命现象给出合理解释。

比如你有没有想过，为什么我们的身体会不断向外散发热量？

其实从熵的角度来看，身体散热不是一个偶然现象，而是一个必要行为。

因为我们的身体在不断产生熵，而身体通过散热来降低自身的温度，其实就是在清除身体中多余的熵。

同样的，为什么温血动物比冷血动物更有活力呢？

其实这也和熵有关，因为温血动物的体温比较高，和环境的温差更大，身体的散热速度也就更快，这意味着熵能以更快的速度发散出去，所以相比于冷血动物，温血动物能承受强度更大的生命活动，跑得更快，跳得更高，大脑也更聪明。

最后

好，说到这，这本书的精华内容就讲得差不多了，我们简单总结一下。

薛定谔在这本《生命是什么》里，阐述了自己关于生命的多个重要观点，我们介绍了其中的三个方面。

首先讨论了生命靠什么来繁衍遗传。

沿着薛定谔的思路，我们明白了生命首先要足够大，才能摆脱微观世界无规则热运动的影响，而基因能凭借极小的尺寸维持稳定，是因为它是一种非周期性晶体，能不受无规则热运动的影响，同时储存大量信息。

其次我们讨论了，生命靠什么来不断进化。

基因突变是进化的根本动力，薛定谔认为，基因突变是由量子跃迁造成的，大自然对跃迁所需的能量阈值进行了精妙的调整，让突变的发生率恰好处在合适的区间，这是一个神奇的巧合。

最后我们讨论了，生命靠什么来维持运转。

熵可以理解为系统中的混乱程度，热力学第二定律告诉我们，自然界中始终存在熵增的趋势，生物体的任何活动都会增大自身的熵。

但熵增大到一定程度就意味着生命的死亡，因此生命要想存续，就必须通过新陈代谢的方式，从外界源源不断地获取负熵。

读过这本书之后我深深感到，伟大的思想是不会受到学科框架束缚的，它总是能跨越时间空间的范畴，对世界产生深远的影响，并给我们带来很多思考。

比如基于薛定谔关于生命和熵的论述，我们就能进行相当多的延伸。

生命有熵不断增大、逐渐变得混乱的趋势，如果放任熵增，那生命也会走到尽头，现在很多人面对生活选择“躺平”，其实就是在放任生命走向混乱，放任生命的熵增。

应对方法薛定谔早已告诉我们，那就是以负熵为生，不断从外界获取有序性，努力让自己的生活变得更加清晰有条理、更加积极，这才是面对生活的应有态度，也是生命对我们的必然要求。

来自：张文举的元宇宙