用户名:  密码:   
网站首页即时通讯活动公告最新消息科技前沿学人动向两岸三地人在海外历届活动关于我们联系我们申请加入
栏目导航 — 美国华裔教授专家网科技动向学人动向
关键字  范围   
 
汤超:生命是什么?- 薛定谔从物理学探索人类生命奥秘
汤超:生命是什么?- 薛定谔从物理学探索人类生命奥秘
1/13/2016 1:21:01 AM | 浏览:1399 | 评论:0
从物理学和生物学结合的视角,我们可以一窥经典之堂奥,走进薛定谔的科学王国,探索人类生命的奥秘。

  1.什么是物理学

汤超:生命是什么?- 薛定谔从物理学探索人类生命奥秘

  生命是什么?关于这个问题,不同的人给出了不同的回答。信徒以为生命是上帝的作品。文学家把生命当作情感的载体。化学家认为生命是一系列化学反应,早期的生物学家并不追问生命的本质,他们关心的是生命是如何进化的。如今,分子生物学家会把生命的基石理解为一系列基因和蛋白组。

  薛定谔是一位物理学家。他希望从物理学的角度去理解生命是什么。为什么薛定谔认为物理学能够对理解生命的本质提供独特的启发?这要从什么是物理学讲起。

汤超:生命是什么?- 薛定谔从物理学探索人类生命奥秘
 
埃尔温·薛定谔

  现代物理学的起源,是从观察天体开始的。好奇心是人类的天性,我们的祖先在远古时代就开始观测天象,并试图理解宇宙的秩序。早期的理论是“地心说”,即认为地球是宇宙的中心。

  但是,这一假说和一些观测到的天文现象不符,比如,行星有逆行现象,如何解释这一现象?天才的天文学家托勒密修正了“地心说”,提出每个行星都在“本轮”上匀速转动,而本轮中心又在“均轮”上绕地球转动。这套理论较好地描述了天体运行的轨道。这就是在观测数据的基础上提出对原有理论的修正。

  哥白尼觉得这套理论过于繁琐,他提出了“日心说”。“日心说”只是一种假说,当时并不能更好地解释天体运行,因为哥白尼假设天体运行轨道是圆形的,现在我们都知道,天体的运行轨道其实是椭圆形的。更主要的原因是当时的观测并不很精确。后来,丹麦科学家第谷精确观测了大量天体数据,他的助手开普勒利用这些数据,提出了我们现在熟知的行星运动三大定律。

  再到后来,牛顿认为,三大定律揭示的只是表面现象,还没有解释天体运行的本质。他认为,一个更基本的东西就是引力。牛顿提出万有引力定律和牛顿运动定律,把开普勒的三大定律做了更简洁的概括,把所有的力学运动都统一起来了。

汤超:生命是什么?- 薛定谔从物理学探索人类生命奥秘
 
哥白尼提出“日心说”

  这就是物理学发展的一般规律:先做观测、积累数据,然后提出假说和一些唯象模型。这些模型可能是粗糙的、表面的,但是,随着数据越来越精确、越来越丰富,会出现更加简洁、深刻和普适的理论。在这一过程中,新的分析工具也会被开发出来,比如,牛顿就发明了微积分。

  2.从物理学理解生命

  物理学家有一句玩笑,说在物理学家看来,所有的问题都是物理学的问题。薛定谔觉得,物理学一定能对理解生命的本质有帮助。

  在薛定谔的时代,科学家还没有完全理解遗传的物质基础是什么。人们还不知道DNA是长链条双螺旋结构,也不知道 DNA 的内部组成成分,不知道遗传物质是核酸。当时的技术条件仅仅能识别染色体。

  薛定谔注意到,生物学家会用 X 射线引发突变。他进一步发现,X 射线能够影响到的原子数量很少,也就是说,一个突变涉及的原子数量很少。但为什么却会引起这么大的影响?X 射线照过去,就会让果蝇要么长不出翅膀,要么没有眼睛。

  薛定谔推测,原子本身不可能带有太多的信息,真正的遗传密码是在基因之中。一个基因包含原子数量之少是无法克服涨落效应的,但是,遗传性状的稳定性来自于基因的结构。物理学家熟悉的晶体的结构不可能是大量信息的载体,生命的密码应该是建立在非晶体的结构之上。

汤超:生命是什么?- 薛定谔从物理学探索人类生命奥秘
 
双螺旋结构的DNA

  薛定谔在本书中提出的另一个革命性观点是“负熵”。按照热力学第二定律,熵增是一定会发生的,熵增过程是一个自发的由有序向无序发展的过程,最终归于热寂。那么,生命为什么能够做到从无序到有序,并能够生生不息?

  薛定谔认为,生命体是处于一个开放状态下,不断地从环境中汲取“负熵”,这种“新陈代谢”使得有机体成功地消除了当它自身活着的时候产生的熵。普利高津后来提出了“耗散结构”,试图解释无序如何能达到有序,但他的理论并不完美。这一机制到底是怎么作用的,我们尚未完全理解。

  在薛定谔之后,生命科学出现了两次革命。一是分子生物学的革命,标志是DNA双螺旋结构的发现。分子生物学的出现,受到薛定谔等物理学家的极大影响。同时,物理学还为生物学提供了X射线、核磁共振、电子显微镜、高速离心机等工具。二是基因组学,就是我们说的测序,这是数学、计算机科学和生物学的交叉。

  分子生物学使得我们像了解一辆汽车的零部件一样,对蛋白质和基因有了透彻的了解。基因组学则是把“生命天书”拷贝了下来。这好比是汽车的修理手册,出来什么故障,怎么修理,这本书上都有。甚至像我们为什么会衰老,怎样防止人们衰老这些问题的答案,其实都在这本天书里面,但是,我们对这本天书还没有完全读懂。

  现在,生命科学正在经历第三次革命。这次革命最大的特点是:生命科学和物理、化学、工程不再是简单的交叉,而是我中有你、你中有我,共同发展,共同驱动。

  生命科学和物理学有什么共通之处?既然生命体系是大自然的一部分,那就逃不掉最基本的物理定律。蜻蜓的翅膀和波音 747 的翅膀同样符合流体力学原理。菠萝、向日葵和松果都有螺旋圈,而这种螺旋圈都符合斐波那契数列规律,暗合黄金分割的美学原理。

  细胞里的内质网(endoplasmic reticulum),是一种遍布于整个细胞内部的膜状网,连接并围绕着细胞核。科学家发现,内质网的结构很像是为了多停车辆而建造的螺旋型多层停车场。按照微分几何的描述,这种结构能使能耗最小化,表面积最大。

  3.生命的未来

  当然,生命科学的进步并非仅仅是对已有的数学、物理学的应用,随着生命科学的发展,一定会激发新的数学、物理学进步。我们通过研究行星运动发明了微积分,通过研究通讯发明了信息论,生命科学也需要适合于它的新的数学。我们都知道生命能够处理信息,我们也看到随着技术的进步,电脑、手机等处理信息的能力有了突飞猛进的发展,但是,和生命体处理信息的能力相比,这些人造物的能力仍然很低级。

  IBM 制造出的电脑战胜了人脑,获得了电视百科知识竞赛的胜利,但IBM没有告诉我们,他们的电脑在处理信息的时候消耗的能量是 100 千瓦,而人脑只消耗了 20 瓦。从这一角度来看,IBM 电脑确实胜之不武。若从处理信息时消耗的能量来看,电脑还不如最低级的大肠杆菌呢。在研究生命科学的时候,我经常会感到所用的数学工具不顺手,或许,随着更多的物理学家、数学家关注生命科学,我们能够开发出来一套更适合生命科学的新数学工具。

汤超:生命是什么?- 薛定谔从物理学探索人类生命奥秘
 
生命科学迅猛发展

  生命科学的迅猛发展,有可能会引发一场新的技术革命,对我们的生活、经济都会带来巨大而深远的影响。基因组测序的技术发展很快,未来基因组测序的成本可能大幅度降低,并对医疗行业带来很大的影响。合成生物学也出现了突破性的进展。

  现在,有些公司在尝试让细菌吃木头,产生酒精,然后再用酒精做能源。基因编辑技术也将出现革命性的突破,但这将引起更多的科学伦理争议。我们必须在进一步推动科学研究的同时,加强对科学伦理的研究和讨论。

  与此同时,应该加强对科学的普及,让公共政策讨论建立在科学分析的基础上。比如,转基因农作物对人体和环境潜在的负面影响和化学、农药对人体和环境的负作用孰重孰轻,这要用数据和事实来说话,不能限于意气之争,或是迷信阴谋论。

  大家最近讨论较多的另一个话题是所谓的“奇点”,即有些未来学家预测,未来电脑智能会和人脑智能汇合,或许人类进化的下一步就是机器人。这种说法很有意思,但进化的未来到底是什么,没有人说得清楚。从某个角度来说,进化已经失去了其原有的意义。进化论讲的是适者生存,判断谁是适者的标准就是其后代会更多,但是,现在的社会精英会有更多的后代吗?成功人士会有 100 个孩子?

  现在人类的预期寿命比原来大大提高,这一是靠公共卫生的改善,二是靠抗生素,当然,营养的改善也有一定的作用。我们或许已经从适者生存变成了人人平等,生存能力差的人现在有了同等的生存机会。这对历史进程的影响是极其深远的。

汤超:生命是什么?- 薛定谔从物理学探索人类生命奥秘

人类未来将进化向何处

  科学并不是完美的,也不是万能的。科学的发展本身就有其历史上的偶然因素。数学从几何学开始,是因为古代的人们要丈量土地。物理学从牛顿力学开始,也是因为我们作为人类,能够感知到的现象,首先是苹果落地、行星转动,然后,我们才开始去探索我们看不到的东西,比如电磁、原子、量子力学。

  我给学生讲课的时候,曾经告诉学生,你们不要觉得物理学天经地义就应该是这样的。设想人类不是像现在这样大,假设我们像细菌一样小,生活在别人的细胞里,却和人类一样聪明,那么,我们先发明的物理学会是什么,是牛顿力学吗?学生都摇头。我们先发明的数学会是微积分吗?学生也摇头。其实,这正是科学不断进步的原因。

  科学的进步是从承认自己的无知开始的,科学是从猜测开始的,并在发展中不断地修正自己原有的观点。这正是薛定谔的《生命是什么》给我们的启示。(主讲 | 汤超 整理 | 李远远 校对 | 何帆)

相关栏目:『学人动向
他放弃300倍高薪回国,造出震惊世界的“天眼”,但他却永远闭上了双眼... 2017-09-24 [16]
三院士纵论人工智能时代时空信息服务的颠覆性创新与挑战: 你在哪里、在干什么,数据都知道 2017-09-24 [16]
别不了的,司徒雷登! 2017-09-21 [66]
英国白金汉大学校长谢尔顿:AI在10年内将全面取代教师授课 2017-09-21 [54]
金灿荣:20年后世界可能只有两个“国家” 2017-09-21 [104]
杰里米•里夫金:为什么中国和德国可以引领下一次全球变革浪潮? 2017-09-20 [113]
耶鲁大学教授陈志武:中国教育不转型, 大多数孩子只能卖苦力 2017-09-19 [462]
肖仰华:KBQA over Corpora & Knowledge Bases 2017-09-19 [63]
施一公:不要轻易被以金钱论英雄的价值观牵引 2017-09-19 [142]
出色的摇滚乐吉他歌手 杰出的中科院物理学家:陈涌海 2017-09-17 [138]
相关栏目更多文章
最新图文:
:中国科技辛酸泪:半导体,一万年太久只争朝夕 - 中国的芯片设计产业 :2017十大新兴技术,五年改变人类社会 :英国白金汉大学校长谢尔顿:AI在10年内将全面取代教师授课 :得克萨斯农业与机械大学科学家发现使植物耐旱耐盐的长链RNA :美国桑迪亚国家实验室新研究或颠覆以往对黑洞认识 :金灿荣:20年后世界可能只有两个“国家” :诚邀全球英才参加西北农林科技大学第二届“丝绸之路青年学者”杨凌论坛 :六盘水师范学院诚聘海内外优秀人才
更多最新图文
更多《即时通讯》>>
 
打印本文章
 
您的名字:
电子邮件:
留言内容:
注意: 留言内容不要超过4000字,否则会被截断。
未 审 核:  是
  
关于我们联系我们申请加入后台管理设为主页加入收藏
美国华裔教授专家网版权所有,谢绝拷贝。如欲选登或发表,请与美国华裔教授专家网联系。
Copyright © 2017 ScholarsUpdate.com. All Rights Reserved.