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薛定谔:生命以负熵为生

2021-04-16 07:53:41


世界由原子组成我们日常接触的所有物质,其实都是数量超乎想象的原子(分子)。


生命是什么?

1944年,来自奥地利的理论物理学家——薛定谔,发出了这样的疑问。

薛定谔(Schrodinger) ,量子力学的奠基人,由于薛定谔方程的发现获得1933年诺贝尔物理学奖,统计热力学集大成者,分子生物学的开山鼻祖,引领了一大批物理学家向探索生命的奥秘;不过,最让大众熟知的,其实是他提出的一个有趣的 思想实验——“薛定谔的猫”。

薛定谔:生命以负熵为生

薛定谔的猫——一只既死又活的猫

1944年,薛定谔出了一本小册子—— 《生命是什么 :生物细胞的物理学见解 ,此书一出, 吸引了一大批物理学家投身于分子生物学研究。 今天我们就借由一个伟大的物理学家的智慧,来从物理角度窥探生命的奥秘。

世界由原子组成

我们日常接触的所有物质,其实都是数量超乎想象的原子(分子)。有多么超乎想象呢?开尔文举过一个让人印象深刻的例子:假设你把一杯水倒入大海,只要充分搅拌后,再从七大洋中任意一处再舀出一杯水来,将会发现,这杯水中仍有大约100个水分子来自于原先那杯水!

薛定谔:生命以负熵为生

换言之,100个分子相比于一杯水,恰如一杯水相比于七大洋。足见水分子之小。

具体有多小呢?一般我们认为,一个原子的直径约为1~2埃(1埃= 米)。

其实,原子是没有确定的直径的,因为——

原子并不是一个实体

原子由原子核与电子组成,电子本身是“一个点”,没有半径,它围绕着原子核转动,它转动的范围姑且理解为原子的内部吧。

原子核更小了,是原子的十万分之一左右,那么,原子核是个实体吗?

非也。原子核由质子与中子组成,而质子与中子都是由3个夸克组成,而这个夸克也只是一个点而已,没有直径,不是实体!

薛定谔:生命以负熵为生

看到这里,我们才真正第一次明白了,什么叫“万物皆空”,因为原子本身只是由一些“点”组成的,原子是“空”的,万物也是“空”的!

“色即是空,空即是色。”——《心经》

前面我们了解了一些宏观世界与微观世界的基本关系,帮助我们运用想象力在宏微世界中出入无碍,下面我们要提出一个重要的物理学思想——

所有物理定律都是统计规律

统计物理学(Statistical Physics) 告诉我们,每一个原子虽然都在做着难以预测的运动,但是,一堆原子的“集体行为”却是可以预测的,而这就是所有物理学定律的基础。

比如,我们讲“温度”,一个物体很热或很凉,其实是对于这个物体中所有疯狂地做着热运动的原子,所提出的一个统计概念,用较高的温度来表示原子热运动剧烈,用较低的温度来表示原子热运动不那么剧烈。

薛定谔:生命以负熵为生

温度唯一的意义,就是代表原子热运动是程度

再比如,我们说“ 扩散 ”,一种化学物质在水中逐渐扩散,从宏观上,我们说浓度梯度越大的地方,扩散的速度也越大,但是, 对于每个原子来说,它并不能感受到浓度梯度 ,它只是在无头无脑的热运动而已,而在任意一个截面上,整体来看,同一时间段内,原子多的一侧就必然有更多的原子穿过截面,最终表现为扩散。

听到这里,我们应该能够理解一个问题了,那就是——

为什么生命相对于原子来说如此之大

也许不少同学思考过这样一个问题,为什么生物的尺寸这么大,而不是再小几个数量级?有没有可能有少量原子组成的生命?

没有。

因为生命要想生存,需要一个基本的功能,就是“感觉”。比如人类,需要视觉、听觉、触觉等等。而 所谓感觉必须是“稳定的信号” ,这就意味着必须是在感觉“足够多数量的原子团”。一旦原子数量过少,我们感觉到的信号就非常不稳定,不符合统计规律,那么人类就变成没有感觉的物体了。

就好像一个测量仪器,如果它过于灵敏,那么它其实是最无用的。

所以, 人类的思维只能建立在“有序”的物质上

然而,生命体本体与生命体内部的物质,似乎在运行着完全不同的物理定律。

量子力学与基因突变

我们现在已经知道,生命体遵循着一个基本规律,这个规律如此重要,以至于被称为生命科学的“ 中心法则 ”,如下图所示——

薛定谔:生命以负熵为生

从图中我们已经感觉到一个与前面有些矛盾的问题,那就是,原子热运动是非常不稳定的,所以必须有大量的原子统计出稳定的规律,但是,DNA分子的原子数量并不大,为什么就能如此稳定,如此可靠?

我们现在知道,DNA分子的双螺旋结构是非常稳定的,用量子力学的观点来说,就是处在一个“能量最低状态”——

薛定谔:生命以负熵为生

分子若想产生不稳定的构型变化,其实是不能够连续的移动的,只能够从大量不连续的状态中选择,这些状态被称为“ 能级 ”,而从一种状态变成另一种状态则称为“ 量子跃迁 ”,对于DNA分子来说,也就是所谓的“ 突变 ”。

幸运的是,通过计算,我们发现突变的几率非常之小,提高温度可以提高突变的概率,如果暴露在X射线下则突变率会大大提升。

铺垫了这么多,终于可以展开我们今天的核心思想了——

生命究竟是什么?

或者这样问:“怎样的一团物质可以被认为是活物呢?”

水可以沸腾,化学物质可以激烈反应,然而,随着时间的流逝,系统一定会衰退为永恒不变的状态,不会再发生任何可观测的事件,成为一团死寂,物理学中称为“ 热力学平衡 ”或“ 最大熵状态 ”。

熵(Entropy) 是个非常重要的概念,尤其对于生命而言。通常,我们会这样解释: 熵就是“混乱度”,负熵就是“序”

万事万物,都会自发向最大熵状态变化,这其实也就是我们熟知的“热力学第二定律”了。

不过,你有没有仔细想过,究竟什么叫做“混乱”呢?水中的化学物质,扩散前后相比,谁更混乱呢?

其实,还有一种很好地理解熵概念的思路—— 熵是达成同一状态的方式数,熵就是几率,熵就是几率的能量等价体

所以,姑且也可以这么去简单理解,原子热运动自发形成一团浆糊的几率很大,因此熵大,自发形成一块手表的几率非常小,这时熵小。

既然万事万物都会自发向最大熵状态变化,那么生命就必须能够产生或吸取对抗熵增的物质,也就是“负熵”。生物学中所说的“新陈代谢”,就是这个及时全部消除那些无时无刻不得不产生的熵。

所以, 生命以负熵为生

薛定谔:生命以负熵为生

说到这里,不禁让人唏嘘不已、浮想联翩,原来生命之所求,无非“序”也;其中可能产生的哲学思考,留待读者们一同在评论区探讨研究。

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