神奇的生命

隨著“旅行者2號”航天探測器（Voyager 2）于1977年8月20日在美國佛羅里達州發射升空，人類有史以來最成功的科學探索任務拉開了帷幕。兩周后，“旅行者2號”的姐妹探測器“旅行者1號”（Voyager 1）也沖向了蒼穹。兩年后，“旅行者1號”到達了它的第一個目的地——木星。在這里，它先是完成了對木星這個巨型氣態行星的拍照任務，得到了木星上空翻騰盤旋的氣流和著名的木星大紅斑照片，隨后，又從冰雪覆蓋的木衛三上空飛過，之后，“旅行者1號”還見證了木星的另外一顆衛星木衛一上的一次火山噴發。與此同時，“旅行者2號”正在另外一條不同的軌道上飛行，它于1981年8月抵達土星附近，開始傳送回一系列美得令人驚艷的土星環照片。通過這些照片可以發現，這些像一條精心編織的項鏈一樣的土星環，其實是由數以百萬計的小巖石和小衛星構成的。大約又一個十年后，“旅行者1號”于1990年2月14日拍下了有史以來最引人注目的照片：在一片帶著顆粒感的灰色背景中，地球只是一個極其微小的小藍點。

在過去的半個世紀中，旅行者探空計劃和其他太空探測器讓人類得以在月球上漫步，遙控式地探索火星上的峽谷，窺視金星上荒涼的大漠，甚至還目睹了一顆彗星猛烈地撞入木星的大氣層。但大多數情況下，這些探測器發現的只是巖石——許許多多的巖石。事實上，我們可以認為，對姐妹星球的探索其實在很大程度上是對巖石的研究。無論是“阿波羅號”上的宇航員從月球上帶回的一噸左右的礦物質，還是美國國家航空航天局（NASA）在“星塵”任務中發現的需要用顯微鏡才能看到的彗星碎片，無論是于2014年與一顆彗星直接接觸的“羅塞塔號”（Rosetta）彗星探測器，還是分析火星表面情況的“好奇號”火星探測器（Curiosity Rover），其實都是在研究各種各樣的巖石。

宇宙空間中的巖石當然是非常有趣的東西，因為它們的結構和組成將為解答諸如太陽系的起源、各個行星的形成以及太陽系形成之前的宇宙事件等問題提供線索。但是，對于大多數非地質學家而言，一塊火星上的球粒隕石（一種石質的非金屬隕石）和一塊來自月球的橄長巖（一種鐵質的富含磁性物質的隕石）并沒什么太大的不同。然而，在太陽系中卻有這樣一個地方——在這里所有構成巖石和石頭的基本元素以多樣化的形態、功能和化學反應結合在了一起，僅僅一克這樣的物質就足以超越已知的宇宙空間中所有其他地方的物質多樣性。這個地方就是“旅行者1號”拍到的那個暗淡的藍色小點，而我們把它叫作“地球”。最令人驚奇的是，那些讓我們的星球表面變得如此與眾不同的形形色色的原材料，還共同創造了生命。

生命如此美妙。我們已經討論過知更鳥令人驚異的磁感應，但這種特別的技能不過是其諸多能力中的一種而已。知更鳥能夠看到、嗅到、聽到并捕捉蒼蠅；它能夠在地面或是樹杈間跳躍；它能夠飛上天空并一口氣飛行數百公里遠。最令人驚嘆的是，它能夠在伴侶的一點點幫助之下，用和那些巖石成分相同的材料，創造出一整窩和自己相似的生物。地球上有成千上萬億的生命體，它們具備與知更鳥相似的能力，還有許多其他同樣令人費解的技能，而知更鳥只是這蕓蕓眾生中的滄海一粟。

另一種非常奇妙的生物當然就是你了。凝視夜空，星光中的光子進入你的眼睛。光子經視網膜組織轉換為極其微弱的電流，沿著視神經抵達大腦的神經組織，并生成一種“閃爍”的神經沖動，讓你體驗到自己正置身于一閃一閃的漫天繁星之下。與此同時，你的內耳毛發細胞感受到了小于1/109個大氣壓力的輕微氣壓變化，并生成聽覺神經信號來提醒你，微風正拂過樹林，那聲音仿佛鳴響的口哨。幾個分子飄入你的鼻子，被特殊的嗅覺感受器捕捉到，這些分子的化學特性緊接著傳遞到你的大腦，告訴你現在正值夏日時光，金銀花正在盛放。此外，你的每一個微小的運動，無論是仰望星空，靜聽風吟，還是嗅聞花香，都要靠數百條肌肉協調行動才能得以實現。

由人類的身體組織完成的那些機械運動，無論如何不同凡響，與同在一個星球上生存的其他生命體比起來，都顯得蒼白無力。切葉蟻能夠舉起30倍于自身質量的重物，相當于你要背起一輛小汽車。大齒猛蟻在咬合時能將大顎在0.13毫秒內從0加速到230千米/時，而一輛F1方程式賽車要加速到相同的速度需要大概40 000倍的時間（大約5秒）。亞馬孫河電鰻能夠瞬間產生600伏特的致命電壓。生命的能力千奇百怪：鷹擊長空，魚翔淺底，蚓食埃土，猿曳森林。還有，正如前面發現的那樣，包括知更鳥在內的許多動物，能夠利用地球磁場完成數千公里的旅程。此外，就生物合成能力而言，沒有什么能夠與地球上那多姿多彩的綠色生命相提并論。它們把空氣、水（再加一些礦物質）的分子糅合在一起，就造出了青草、橡樹、海藻、蒲公英、地衣和高聳入云的紅杉樹。

所有的生命體都有其特別的技能和特長，比如知更鳥的磁感應或是大齒猛蟻的極速咬合，但有一種人類器官的表現可以讓其他所有生物望塵莫及。這個灰色肉質的器官（大腦）被我們堅硬的顱骨牢牢地保護著，其計算能力超過了世界上所有的計算機，它還創造了埃及金字塔、廣義相對論、《天鵝湖》、《梨俱吠陀》、《哈姆雷特》、明代的陶器和唐老鴨。而且，最令人驚嘆的一點是，人類大腦有能力感知到自身的存在。

生命體擁有萬千的形態和無盡的功能，然而構成這種極大生命多樣性的原子，與火星上那些球粒隕石中發現的原子幾乎完全相同。

究竟是什么將巖石中那些沒有活動能力的原子和分子夜以繼日地轉化為能跑、能跳、能飛、能定位、能游泳、能生長、能愛、能恨、能欲求、能恐懼、能思考、能哭、能笑的活生生的生物呢？這是科學界最宏大的問題，也是本書的核心。對它這種非凡轉化現象的熟悉，讓我們覺得它似乎稀松平常，但請牢記，即使在這樣一個基因工程與合成生物學的時代，人類還從來沒能用完全非生命的物質創造出生命。我們的技術至今未能成功地完成一次轉化，而即使是地球上最簡單的微生物也能毫不費力地創造出生命來。這個事實告訴我們，我們關于生命構成的知識還不完善。我們可能忽略了一些元素，這些元素并不存在于非生命體中，卻是激活和維持生命必不可少的“火種”。

這并不是說我們要宣稱存在什么能夠激活生命的原動力、靈魂或是神奇的原料。我們的故事可比那有趣多了。我們要做的是探討最新的研究。這些研究表明，至少有一部分生命之謎的問題會在量子力學的世界中得到解答。在那里，物體可以同時出現在兩個地方，物體之間擁有幽靈般的聯結，并且可以穿越明顯無法穿透的屏障。生命似乎一只腳踩在了充斥著日常物品的經典世界中，而另一只腳陷在了奇怪而特別的量子世界中。我們想說的是，生命，其實生活在量子的邊緣。

我們堅信自然法則只能用來描述基本粒子的行為，但是，動物、植物和微生物是否也受自然法則的支配呢？當然，就像足球、汽車或是蒸汽火車一樣，生命體同樣是由數以兆計的粒子構成的宏觀物體，應該充分地遵循經典物理學規律，比如牛頓力學定律或是熱力學定律。既然如此，那我們為什么還需要隱藏的量子力學世界來解釋生命物質的奇特屬性呢？要回答這個問題，我們需要先踏上一次短暫的科學之旅，來回顧一下科學為了理解“生命究竟有什么特別之處”所做過的努力。

活力論

生命之謎的核心在于：與一塊石頭相比，為什么物質一旦形成生命就會表現得如此不同？古希臘的哲人們是探究這個問題的第一批人。哲學家亞里士多德或許是世界上第一位偉大的科學家。他發現了非生命物質的一些可靠且可預測的性質：比如，固體具有下落的傾向，而火和水蒸氣傾向于上升；天體傾向于圍繞地球做圓周運動。然而，生命卻大不相同：盡管很多動物也有下落的傾向，但它們也會跑；植物可以向上生長，而鳥兒則可以飛離地面。那么，是什么讓生命與世界上其他的東西不同呢？年代更早的哲學家蘇格拉底曾做出回答，答案記錄在其學生柏拉圖的書中：“是什么，當其出現在物體體內時，就讓它擁有了生命？答案是靈魂。”

亞里士多德同意蘇格拉底關于生命體擁有靈魂的說法，但他認為靈魂也有等級。最低級的靈魂附身于植物，讓植物能夠生長，并從周圍吸取養分；動物的靈魂更高一級，賦予其宿主感覺和運動的能力；只有人類的靈魂，承載著理性與智力。古代中國的哲人們持有相似的看法。他們認為，生命體之所以活著，是有一種叫作“氣”的無形生命力在生命周身流轉。后來，世界上的主要宗教都吸收了“靈魂”這一概念，但靈魂的性質、靈魂與身體之間的聯系等問題卻仍然玄妙而神秘。

生命的另一個謎團在于生命的必死性。大家普遍相信靈魂是不朽的，可為什么生命卻如此短暫？大多數文化給出的答案是，在死亡降臨時，靈魂會脫離軀體。到了1907年，美國醫生鄧肯·麥克杜格爾（Duncan MacDougall）宣稱自己能夠通過在病人死后立刻稱量其體重的方法，對比其死亡前后體重的變化，從而測量出靈魂的質量。他的實驗讓他相信靈魂的質量大約為21克。但靈魂為什么非要在陪伴了我們70多年后脫離我們的身體呢？這仍是個謎。

靈魂的概念雖然不再是現代科學的一部分，但它至少將對生命體與非生命體的研究區分開來，使科學家能夠心無旁騖地研究非生命體內部運動的成因而不受神學和哲學問題的困擾。研究“運動”（motions）這一概念的歷史可謂久遠、復雜而又迷人，但在本章中，我們只是帶著你簡要地游覽一遭。之前已經提過，亞里士多德認為，物體有向著地球、遠離地球或圍繞地球旋轉等運動傾向，他將這些傾向統稱為“自然運動”（natural motions）。他還發現，固體能夠被拉、推和拋出。這些運動在他看來是“被動的”（violent），而且是由另一個物體提供的某種力量發起的，比如一個投擲物體的人。但是，投擲這一動作又是怎么產生的呢？或者說鳥是如何飛起來的呢？似乎還有其他的原因。亞里士多德指出，與非生命體不同，生命體具有自發產生動作的能力。而就上述的例子而言，產生動作的就是生命體的靈魂。

一直到中世紀，亞里士多德關于“運動”起源的看法都占據著主導地位，但有趣的事情發生了。科學家們（當時他們稱自己為自然哲學家）開始用邏輯和數學的語言來表達關于非生命體運動的理論。大家可以爭論究竟誰對這次極具效益的人類思想轉變做出了貢獻，但可以明確的是，中世紀阿拉伯和波斯的學者們，比如阿爾哈曾（Alhazen，965—1040）和阿維森納（Avicenna，980—1037），一定扮演過重要的角色，而之后興起的歐洲學術機構，比如巴黎大學和牛津大學，延續并發展了這一潮流。

不過，這種描述世界的方法第一次結出豐碩的果實應該是在意大利的帕多瓦大學。伽利略在那里用數學公式推導出了簡單的運動定律。在伽利略逝世的1642年，牛頓誕生于英格蘭的林肯郡。牛頓繼續伽利略的工作，對非生命體在力的作用下運動發生改變的現象提出了極其成功的數學表達。今天，我們將他提出的這套理論稱為“牛頓力學”。

牛頓的力在一開始還是一個神秘的概念，但幾個世紀過去之后，人們越來越認識到力與“能量”的概念密不可分。移動物體，被描述為向碰到的靜物轉移能量，使其移動。但是，力同樣可以在物體間遠程傳遞：比如把牛頓的蘋果拉向地面的地球引力，或是讓指南針的指針旋轉的地磁力。

由伽利略和牛頓發端的偉大科學進步在18世紀得到了長足的發展，到19世紀末期，經典物理學的理論框架已經基本建成。在那個時候，科學家們已經知道，熱和光等其他形式的能量也可以與物質的組成（原子和分子）進行互動，讓物質變熱、發光或改變顏色。物體是由微小的粒子構成的，而這些粒子的運動受到重力和電磁力的控制。在19世紀晚期，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）證明，電力和磁力其實是同一種力（電磁力）的兩個方面。這樣一來，物質世界，或者至少是物質世界中的非生命體，就被分成了兩個截然不同的部分：由粒子組成的可見的物質和以難以理解的方式在物質之間作用的不可見的力。當時認為，不可見的力以能量波的形式在空間中傳播或是利用“力場”（force field）發生作用。但是，構成生物的生命物質又是怎么一回事呢？是什么構成了這些生命物質，它又是如何運動起來的呢？

機械論

所有的生物都是從某種超自然的物質或是主體那里獲得了生命力，這一古老的想法確實為生物與非生物之間令人驚異的差異提供了某種解釋：生命之所以不同，是因為靈魂而非其他平凡的機械力量在驅使其行動。但這終歸不是令人滿意的解釋，就好像說太陽、月亮和恒星的運動是因為有天使推著它們在動一樣。事實上，這個問題還沒有什么真正的解釋，靈魂（和天使）的性質依然是個十足的謎題。

17世紀時，法國哲學家勒內·笛卡兒提出了一種全新的視角。他有感于當時用來取悅歐洲宮廷的機械鐘表、玩具和自動人偶，受其機械原理的啟發，革命性地宣稱植物和動物的身體，包括人類在內，都不過是由傳統材料制成的精密機械，由泵、齒輪、活塞和凸輪等機械裝置提供動力，而這些機械裝置的動力與支配非生命體運動的力量相同。笛卡兒將人類的心智排除在他的機械論之外，認為心智是一個不朽的靈魂。笛卡兒的哲學至少嘗試著用支配非生命體的物理定律為解釋生命提供了一種科學框架。

牛頓的力學體系讓機械生物路徑傳統在近現代一直延續：物理學家威廉·哈維（William Harvey）發現，心臟不過是一個機械泵。一個世紀之后，法國化學家安托萬·拉瓦錫（Antoine Lavoisier）證明，呼吸的天竺鼠消耗氧氣，呼出二氧化碳，正如燃燒燃料為新發明的蒸汽引擎提供動力一樣。拉瓦錫據此總結道：“因此，與煤的燃燒很類似，呼吸是一種非常緩慢的燃燒現象。”笛卡兒可能曾經也預言過，動物與燃煤驅動的火車頭沒有看起來那樣不同。而后者很快讓工業革命席卷了歐洲。

但是，驅動蒸汽火車的力量也能讓生命運動嗎？要回答這個問題，我們先要理解蒸汽火車是怎樣翻山越嶺的。

|分子臺球桌|

研究熱量與物質相互作用的科學被稱為熱力學。該學科的核心觀點由19世紀奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）提出，他大膽地將組成物質的粒子看成了一大堆遵循牛頓力學定律的隨機碰撞的臺球。

試想用一根可移動的短桿將臺球桌的表面分成兩側。包括母球在內的所有球都在短桿的左手邊，整組臺球整齊地擺成三角形。現在，用母球用力擊打球組，讓臺球向各個方向快速運動，互相撞擊，在球桌庫邊及可移動短桿上反彈。想想短桿會發生什么：球都在左側，因此它會受到來自左側的多次撞擊，而不會受到來自空空如也的右側的撞擊。即使所有的臺球都是完全隨機地運動，在所有隨機運動的臺球的推動下，短桿也會受到一個將其向右推動的平均力，使左側的區域擴大，右側的區域壓縮。我們可以進一步想象，利用這個臺球桌做一些功。比如，通過建造一個由杠桿和滑輪組成的奇巧的裝置，用短桿向右的運動來推動一列玩具火車爬上一個山坡的模型。

玻爾茲曼意識到，從本質上講，這正是熱力引擎將真實火車頭推上真實山坡的原理。別忘了，當時正處于蒸汽時代。蒸汽機汽缸里的水分子與被母球擊散的臺球表現得極為相似：爐內的熱量使它們的隨機運動加速，使分子互相撞擊，推動活塞更為有力地向外驅動蒸汽機車的轉軸、齒輪、鏈條和輪子，并由此產生定向的運動。在玻爾茲曼之后又過了一個多世紀，現在我們自己使用的汽油機車與蒸汽機車的工作原理依然完全相同，只不過是用汽油燃燒的產物取代蒸汽罷了。

作為一門科學，上文中的原理正是熱力學的不凡之處。已造好的每一臺熱力引擎，其規則運動都是利用了數以兆計的分子與原子的隨機運動所產生的平均運動。不僅如此，這門科學的應用極其普遍，不僅可以用在熱力引擎上，還發生于幾乎所有的標準化學反應中：煤炭燃燒、鐵釘生銹、做飯、煉鋼、鹽在水中溶解、燒水或將火箭送上月球。所有這些化學過程都有熱量交換，而且在分子層面上，都是基于隨機運動，都遵循熱力學原理。事實上，幾乎所有能使世界發生變化的非生物過程（物理的和化學的）都遵循熱力學原理，“混亂”擁有不可阻擋的力量。它不僅是熱力學的基石，也操控著洋流、風暴、巖石風化、森林大火、金屬腐蝕等現象。每一個復雜的過程在我們看來可能是結構嚴謹、秩序井然的，但究其核心，所有現象的驅動力都是分子的隨機運動。

|生命是團亂麻嗎|

那么生命也是如此嗎？讓我們重新回到那張臺球桌上，在游戲開始時重新把球擺成整齊的三角形。這次，我們還要增加大量多余的球（假設球桌非常大），并讓這些球在擺成三角形的球組周圍受到猛烈的撞擊。我們也會利用由隨機碰撞推動的短桿來做一些有用的功，只不過不是用它來驅動玩具火車爬上小山坡，而是設計一個更加巧妙的裝置。這一次，由所有這些球碰撞所推動的機器將做一些特別的事情：它將在混亂中使原先那組球保持整齊的三角形陣列。每當三角形陣列中的一個球被一個隨機移動的球撞離其原來的位置時，某種感應裝置會探測到這一事件，并引導機械手臂從隨機碰撞的其他球中選擇一個相同的球，去取代三角陣列中缺失的球，來填補三角形中的一個空缺。

我們希望你已經注意到，這個系統正在用由分子隨機碰撞產生的能量來使自身的一部分保持高度有序的狀態。在熱力學中，“熵”（entropy）用來描述一種缺乏秩序的狀態，因此，高度有序的狀態被描述為擁有較低的熵。因此，我們的臺球桌也可以說是利用高熵（混亂的）碰撞的能量，來使自身的一部分，即中間擺成三角形陣列的球組，保持低熵（有序的）的狀態。

現在，我們先不關心如何建造這樣一種巧妙的裝置，此處的重點是，這個由熵驅動的臺球桌正在做一件有趣的事情：僅僅靠著混亂的臺球運動，這個由臺球、球桌、短桿、感應器和機械手臂組成的新系統就能夠使它的一個子系統保持有序的狀態。

讓我們想象另一層面的復雜性：移動短桿的能量（我們可以將其稱為該系統的自由能）可以用來建造和維持感應器和機械手臂，甚至可以用來制作最開始用作系統原材料的臺球。現在，整個系統可以自我維持，而且在理論上，只要能夠持續地提供大量隨機移動的臺球，而且有足夠的空間讓短桿繼續移動，該系統就可以無限地運作下去。

最后，除了能夠保持自身運轉外，這個拓展系統還能完成一項令人驚異的成就：它能使用自由能來探測、捕捉和擺放臺球，并完成一份完整的自身拷貝：球桌、短桿、感應器、機械手臂，還有擺成三角形的臺球組。這些拷貝又可以利用它們的臺球及碰撞產生的自由能來制造更多這樣能夠自我運轉的裝置，然后“子子孫孫無窮匱也”……

好了，你可能已經猜到我們要說什么了。我們假想的這個DIY項目創造了一個由臺球驅動的生命等價物。就像一只鳥、一條魚或是一個人，這個想象出來的裝置能夠通過利用隨機分子碰撞產生的自由能來維持并復制自己。雖然這是一項復雜而困難的任務，但通常認為，其驅動力與推動蒸汽火車上山的動力別無二致。在生命體中，從食物中獲得的分子相當于臺球，雖然過程比我們所舉的這個簡單例子要復雜得多，原理卻相同：分子隨機碰撞（及其化學反應）產生的自由能被用來維持生命體并復制生命體。

那么，難道生命科學不過是熱力學的一個分支嗎？當我們外出遠足時，我們爬上山丘的過程與推動蒸汽機車頭的過程是完全一樣的嗎？知更鳥的飛行與一發炮彈的飛行沒有區別嗎？若要追根問底，難道生命的火種僅僅是隨機的分子運動嗎？要回答這些問題，我們需要近距離觀察生命體的精密結構。

生命科學新發現

|細胞|

在人類對生命精密結構的探尋中，第一次重大的進步來自17世紀的“自然哲學家”羅伯特·胡克（Robert Hooke）與荷蘭顯微鏡研究者安東·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）。在自己發明的原始顯微鏡下，胡克看到了軟木塞薄切片中他稱為“細胞”（cell）的結構，而列文虎克則在池塘的水滴中發現了他稱為“微動物”（animalcule）而現在稱為單細胞生物的生命體。列文虎克還觀察到了植物細胞、血紅細胞，甚至還包括精子。后來，我們知道所有的活體組織都可以分為這樣的細胞結構，而細胞就像是構成生命體的磚塊。德國醫生、生物學家、病理學家魯道夫·魏爾肖（Rudolf Virchow）在1858年的著作中寫道：

一棵樹是由物質按照一定的秩序組成的。無論是樹葉還是樹根，無論是樹干還是花朵，在樹的每一部分中，細胞都是最基本的元素。同理，動物生命的形態也是如此。每一只動物都是一群生命單位的集合，而每個單位都展現出生命全部的特性。

在功能日益強大的顯微鏡的輔助下，人類對活細胞的研究逐步深入，細胞的內部結構也顯示出高度的復雜性。每個細胞的中心都有填充著染色體的細胞核，細胞核的周圍包裹著細胞質，細胞質中又鑲嵌著細胞器。就像人體的器官一樣，細胞器也在細胞內部執行著特殊的功能。比如，被稱為線粒體的細胞器在人體細胞內具有呼吸的功能，而葉綠體在植物細胞內負責進行光合作用。總體來講，細胞就像一個忙碌的制造廠的縮影。

但究竟是什么讓細胞持續運作？又是什么讓細胞有了生命？起初，普遍的觀點認為，細胞內充斥著“生命力”，本質上就是亞里士多德所說的靈魂。后來，在19世紀的大多數時間里，對活力論（vitalism）的信仰又持續占據主流。活力論認為，活體生物的生命來自一種在非生命體中不存在的力。在活力論的視角下，細胞里充盈著一種被稱為“原生質”（protoplasm）的神秘活性物質，而對原生質的描述也渲染著神秘主義色彩。

但是，19世紀幾位科學家的工作使活力論土崩瓦解。他們成功地證明從活細胞中分離出的化學物質與實驗室合成的完全相同。比如，1828年德國化學家弗里德里希·維勒（Friedrich W?hler）成功地合成了尿素，而之前認為這種生物化學物質只存在于活細胞中。路易·巴斯德（Louis Pasteur）甚至利用活細胞的提取液（后來被稱為酶），成功地重現了發酵等化學變化，而之前認為只有生命體才能做到這樣的事情。隨著科學進步，人們發現組成生命體的物質似乎與構成非生命體的化學物質是相同的，并因此遵循相同的化學規律。活力論漸漸讓位于機械論。

到19世紀末期，生物化學家可以說完全擊敗了活力論者。細胞被視為裝著各種生物化學物質并進行著各種復雜反應的袋子，同時像玻爾茲曼所描述的那樣，以與臺球類似的隨機分子運動為基礎。人們普遍相信，生命實際上不過是熱力學的進一步拓展。但僅有一個方面除外，而這一方面可以說是最重要的一個方面了。

|基因|

無論是一只知更鳥、一株杜鵑花還是一個人，活體生物能夠忠實地遵循指令復制出另一個自己的能力，幾百年來一直讓人極其費解。在1653年的《第51號實習報告》中，威廉·哈維寫道：

雖然眾所周知，胚胎的起源與誕生來自雄性與雌性，就像公雞與母雞合作產出了雞蛋，而雞蛋又生出了小雞，但是，沒有一個學派的醫生或者亞里士多德那明察秋毫的大腦，能夠說明公雞和它的“種子”是如何讓小雞破殼而出的。

兩個世紀以后，奧地利修道士與植物學家格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）為該問題給出了部分解答。大約是在1850年，孟德爾在布爾諾奧古斯丁修道院的菜園里種植豌豆。他的觀察讓他認為，像花的顏色或是豌豆的形狀等性狀是由可遺傳的“因素”決定的，這些“因素”可以不經改變地從一代傳向下一代。孟德爾所謂的“因素”提供了一個讓豌豆得以流傳幾百代而性征保持不變的遺傳信息庫，或者說正是通過這個遺傳信息庫使“公雞和它的‘種子’讓小雞破殼而出”。

孟德爾的工作被他同時代的大多數學者所忽視，其中包括達爾文。一直到20世紀早期，孟德爾學說才重新受到重視。孟德爾所說的“因素”后來被稱為“基因”，并很快被不斷發展的20世紀機械論生物學所吸收。不過，雖然孟德爾曾說明這些遺傳單位一定存在于活細胞內部，但從來沒有人真正見過這些遺傳單位或是知道它們的構成成分。然而，到了1902年，美國遺傳學家沃爾特·薩頓（Walter Sutton）發現，一種叫作“染色體”的細胞內結構遵循孟德爾式“因素”的遺傳規律，他據此提出基因位于染色體上。

但相對而言，染色體體積較大，結構復雜，包括了蛋白質、糖和一種名為脫氧核糖核酸（DNA）的生物化學物質。就算這些物質真的具有遺傳性，最開始也并不清楚究竟哪種成分具備這樣的功能。到了1943年，加拿大科學家奧斯瓦爾德·艾弗里（Oswald Avery）通過從供體細胞中提取DNA并注入受體細胞中，成功地將一組基因從一個細菌細胞轉移到了另一個細菌細胞。這個實驗說明，在染色體中攜帶所有關鍵遺傳信息的物質，是DNA，而不是蛋白質或是其他生物化學物質。在那個時候，埃弗里的實驗并不被當作DNA是遺傳物質的決定性證據——爭論一直持續到克里克和沃森的時代。大家覺得DNA似乎也沒什么神奇的，不過是一種普通的化學物質。

因此，問題依然沒有得到解決：這一切究竟是怎么運轉的？一種化學物質是如何傳遞使“公雞和它的‘種子’讓小雞破殼而出”所需的信息的？基因又是如何從一代復制繁衍到下一代的？以玻爾茲曼的熱力學為基礎的傳統化學似乎無法解釋基因為什么能夠儲存、復制和精確地傳遞遺傳信息。

答案終于在1953年揭曉，這在科學史上非常著名。當時，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在劍橋的卡文迪什實驗室與他們的同事羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）成功地設計出了一個能與從DNA中獲得數據相匹配的結構模型：雙螺旋結構。

每條DNA鏈都由一串由磷、氧原子及叫作脫氧核糖的糖類分子組成，在分子鏈上還像念珠一樣分布著叫作核苷酸的化學結構。核苷酸“念珠”有四種變體：腺嘌呤（adenine，縮寫為A）、鳥嘌呤（guanine，縮寫為G）、胞嘧啶（cytosine，縮寫為C）和胸腺嘧啶（thymine，縮寫為T）。因此，這些核苷酸沿著DNA鏈的排列就提供了一種一維的“遺傳字母”序列，比如“GTCCATTGCCCGTATTACCG”。

弗朗西斯·克里克第二次世界大戰時曾在英國海軍部（負責指揮皇家海軍的部門）服役，因此我們也就不難理解他可能對密碼比較熟悉，因為當時德國恩尼格碼密碼機（Enigma）加密過的文件都會送去布萊奇利園解碼。不管怎樣，當克里克一看到DNA序列時，他就立刻意識到這是密碼，是一條提供重要遺傳指令的信息序列。而且，正如我們將在第6章進一步討論的那樣，DNA雙螺旋結構的發現還解決了遺傳信息的復制問題。電光火石間，科學界的兩大謎題就解決了。

DNA結構的發現為解鎖基因之謎提供了一把機械論的鑰匙。基因是化學物質，而化學不過是熱力學，那么，是不是說雙螺旋結構的發現最終將生命完全帶入了經典科學的王國呢？

|合成生物學|

在劉易斯·卡羅爾（Lewis Carroll）的《愛麗絲夢游仙境》中，有一只能隨時現身隨時消失的柴郡貓，在消失后只留下它那咧嘴的笑臉。愛麗絲評論道：“我常常看見沒有笑臉的貓，可還從沒見過沒有貓的笑臉呢。”許多生物學家面對著相似的困境。就算知道了活細胞中熱力學如何運作、基因如何編碼合成細胞所需的信息，“生命究竟是什么”的謎題依然未得到解決，就好像一直在對著他們笑的柴郡貓一樣。

生命的第一個謎題是在每個活細胞內生化反應的極度復雜性。當化學家要生產一種氨基酸或糖類時，他們幾乎總是一次只合成一種產品，通過精心地控制該制備實驗的條件，比如溫度和不同原料的濃度，來優化對目標化合物的合成。這可不是一項簡單的工作，需要對定制的長頸瓶、冷凝器、分離柱、過濾器及其他復雜的化學儀器內部許多不同的條件進行精細的控制。然而，你體內的每個活細胞中，在一個僅僅容納著一微升液體的百萬分之幾的單一反應室內，正在馬不停蹄地合成著數以千計各不相同的生化物質。這些不同的反應是如何同時發生的？所有的分子活動如何在一個小小的細胞內協調運作？這些問題正是新興的科學分支“系統生物學”所關注的焦點。但是坦白地說，這些問題的答案依然迷霧重重。

生命的另一個謎題是死亡。化學反應的一個特征是它們總是可逆的。我們可以按這樣的方向寫下方程式：底物→產物。但是，該反應的逆反應：產物→底物，也在同時發生著。只不過在一定的條件下，總有一個方向會傾向于占據主導地位。實際上，我們總能找到一套傾向于逆反應的反應條件。比如，當化石燃料在空氣中燃燒時，底物是碳和氧氣，產物只有溫室氣體二氧化碳。通常，這個反應被看作是一個不可逆反應。但是，某些碳捕捉技術正在試圖利用其他能源將這一過程逆轉，推動反應向相反方向發展。比如，伊利諾伊大學的里奇·馬塞爾（Rich Masel）成立了一個名為“二氧材料”（Dioxide Materials）的公司，致力于使用電能將大氣中的二氧化碳轉化為汽車燃料。

生命卻迥然不同。還從沒有人發現過能使下面的反應發生的條件：死細胞→活細胞。正是這個謎題讓我們的祖先提出了靈魂的概念。我們不再相信一個細胞中會包含任何形式的靈魂，但是當一個細胞或是一個人死去時，不可逆轉地失去的東西又是什么呢？

此時，你可能會想：新興的合成生物學不是飽受贊譽嗎？那門學科的研究者難道沒有掌握生命之謎的鑰匙嗎？合成生物學最著名的實踐者可能要數基因組測序的先驅克雷格·文特爾（Craig Venter）了，他在2010年宣稱自己創造出了人造生命，并由此掀起了一場科學風暴。他的工作在世界各地登上了新聞頭條，并激起了人們對人造新物種將會占領地球的恐慌。

但文特爾和他的團隊不過是修飾了一個現存的生命形態，而不是完完全全地創造了一個新的生命。他們選擇了一種能使山羊得病的名為絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的致病菌，先是合成了該致病菌整套基因組的DNA，然后將合成的DNA基因組注入到一個活菌細胞內，并非常巧妙地誘導該活菌將自己原先那條單一的染色體替換成合成的DNA。

毫無疑問，這項工作絕對是一項技術上的杰作。實驗中的細菌染色體包含了180萬個遺傳字母，而且所有的遺傳密碼都需要按照正確的序列精確地串在一起。但是，我們每個人都能毫不費力地將食物中的惰性化學物質轉化為自己身上鮮活的血肉，而從本質上講，這些科學家所做的轉化與我們的日常行為別無二致。

文特爾和他的團隊成功地合成并插入了細菌染色體的替代物，為合成生物學開啟了一片全新的天地，在本書的結語中，我們會重新來看這部分內容。這項技術很有可能將衍生出制備藥品、種植莊稼、分解污染更有效率的方法。但在這些及其他許多相似的實驗中，科學家并沒有創造出新的生命。盡管有了文特爾的成就，生命的根本謎題一直還在對著我們笑。

諾貝爾獎獲得者、物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）因為一直堅持如下的觀點而為人所稱道：“凡是我們做不出來的，就是我們還不理解的。”按照這個定義，我們還不理解生命，因為我們還從未能夠創造出生命。我們能夠混合生化物質、加熱它們、照射它們，我們甚至能像瑪麗·雪萊（Mary Shelley）筆下的弗蘭肯斯坦一樣，用電來使它們具有生機，但是，我們要想創造生命，就只能將這些生化物質注射到活細胞中，或是吃下它們，讓它們成為我們身體的一部分。

每一秒都有數以兆計的最低級的微生物毫不費力地創造著生命，那我們為什么就做不到呢？我們是缺了什么原料嗎？70多年前，著名物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）也曾思考過這一問題，他那令人驚異的答案與本書的主旨十分契合。要想知道對這個生命最深奧的謎題，為什么薛定諤的解答直到現在還依然具有非凡的革命性，我們需要回到20世紀初，回到那個DNA雙螺旋結構還未被發現的年代，而彼時的物理學界正發生著翻天覆地的變化。

量子力學，物理學的一場革命

在18～19世紀的啟蒙運動期間，科學知識的大爆炸催生了牛頓力學、電磁學與熱力學，并向世人展示，從炮彈到鐘表，從風暴到蒸汽火車，從擺錘到行星，只要物理學的這三個領域合力，就能成功地描繪這個世界上所有日常宏觀物體與現象的運動與行為。但到了19世紀末20世紀初，當物理學家將他們的注意力轉向物質的微觀組成（原子和分子）時，他們發現熟悉的定律不再適用。物理學需要一場革命。

|“量子”概念的提出|

革命的第一個重大突破性進展是“量子”概念的提出。1900年12月14日，德國物理學家馬克斯·普朗克在德國物理學會的一次研討會上展示了他的研究成果，而這個日子也被廣泛認為是量子理論的誕生之日。

當時傳統的觀點認為，與其他形式的能量類似，熱輻射在空間中以波的形式進行傳播。問題在于，波理論無法解釋某些發熱物體的能量輻射現象。因此，普朗克提出了一種全新的觀點，認為這些發熱體表面的物質在以一定的離散頻率振動，導致熱能只能通過微小而離散的能量團進行輻射，而且這些能量團不可以再分，普朗克稱其為“量子”。普朗克的簡單理論大獲成功，卻背離了經典輻射理論，因為后者認為能量具有連續性。普朗克的理論表明，從物質中流出的能量并不像從水龍頭里連續不斷地流出的水柱那樣，而是更像從龍頭里緩慢滴出的水滴，像一個個離散的、不可再分的“包裹”一樣傳播。

對“能量團塊化”這個想法，普朗克自己也從未感到很滿意。但就在他提出量子理論五年之后，愛因斯坦拓展了他的理論，并提出包括光在內的所有電磁輻射都是“量子化”的，而非連續的，光以我們稱為“光子”的離散的“包裹”或粒子的形式存在。愛因斯坦指出，以這種方式來思考“光”，能夠解釋一個長期以來困擾物理學家的現象——在高于特定頻率的電磁波照射下，光可以將物質內部的電子激發出來，即“光電效應”。正是這項成就，而不是他那更廣為人知的廣義相對論，讓愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。

但是，也有大量的證據表明光的行為像是擴散和連續的波。那么光怎么可以既像團塊又像波呢？這在當時看來，似乎不合情理，至少在經典物理學的框架內是說不通的。

|玻爾的貢獻|

革命的第二大步由丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）邁出。1912年，他與歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）一起在英國曼徹斯特工作。盧瑟福剛剛提出了著名的原子行星模型，認為原子的中心有一個極小而致密的原子核，周圍環繞著更加微小的、在軌道中旋轉的電子。但沒有人可以解釋為什么原子可以保持穩定。根據傳統的電磁理論，當繞著帶正電的原子核旋轉時，帶負電的電子會持續地釋放光能。如果這樣，電子會失去能量并很快（小于萬億分之一秒）朝著原子核螺旋向內移動，導致原子塌縮。但事實上，電子并沒有發生這種情況。那么，它們玩的是什么把戲呢？

為了解釋原子的穩定性，玻爾認為，電子并不能自由地占據原子核外的任意軌道，而是只能占據某些固定的或量子化的軌道。電子只能從一個軌道躍遷到下一個較低的軌道，并釋放與兩個軌道的能級差完全相同的一團電磁能（一個光子），也就是量子。相應地，如果電子躍遷到一個更高的軌道上，就需要吸收一個具有相應能級差的光子的能量。

用吉他和小提琴演奏音符的類比，或許可以將經典理論與量子理論之間的差別形象化，并解釋為什么電子只能占據原子中某些固定的軌道。當小提琴手演奏一個音符時，他會用一根手指將一根弦壓在琴頸的指板上，使弦變短，然后運弓拉琴，使弦振動。較短的琴弦能以更高的頻率（每秒振動更多次）振動，演奏音調更高的音符，與之相反，較長的琴弦會以更低的頻率（每秒振動更少次）振動，演奏音調更低的音符。

在繼續行文之前，我們要簡單地介紹一下量子力學的基本性質之一，那就是頻率與能量緊密相關。在引言中我們已經提到，亞原子粒子同時具有波的性質，像所有擴散的波一樣，它們也有自己的波長和頻率。快速的振動（或波頻）比慢速的振動具有更多的能量——就像你的滾筒甩干機一樣，為了得到足夠的能量將衣服里的水甩干，滾筒必須以很高的頻率（速率）旋轉。

現在回頭說說小提琴的事。依照演奏者手指到琴弦固定端長度的不同，音符的音高（振動頻率）可以連續變化。這就像一個“古典”理論下的波可以有任意的波長（兩個連續波峰之間的距離）。所以，在此我們將小提琴定義為“古典”樂器——不是古典音樂的“古典”，而是非量子理論的經典物理學的“古典”。當然，這也說明了為什么要拉好小提琴非常困難，因為音樂家為了得到一個準確的音必須精確地知道要把手指放在什么位置。

但吉他的琴頸卻不一樣，吉他沿著琴頸會有一些“品”——在琴頸上間隔分布的一些金屬，凸出于指板但并沒有接觸到琴弦。因此，當一名吉他手將他的手指壓在弦上時，弦也同時壓在了品上，讓品而非手指暫時成了弦的末端。此時彈撥琴弦，所彈音符的音高僅僅由品到琴橋之間的這段琴弦振動而產生。品的數量是有限的，也就意味著只有一定數量的、間斷的音符可以在吉他上演奏。在彈撥琴弦時，調整在兩個品之間手指的位置并不會改變彈出的音符。因此，吉他更像是“量子”樂器。此外，根據量子理論，頻率和能量是相關的，那么振動的吉他弦就一定具有間斷而非連續的能量。與此相類似，電子之類的基本粒子，只能擁有特定的波頻，每種擁有特定的能量層級。當電子從一個能量層級躍遷到另一個能量層級時，它必須吸收或釋放與其躍遷前后能級差相對應的輻射。

|海森堡不確定性原理|

到了20世紀20年代中期，歐洲的幾位物理學家狂熱地追求一個能夠更加完善而一致地描述亞原子世界的數學理論。彼時的玻爾已經回到了哥本哈根，他也是追求數學理論的狂熱者之一。他們這個群體中最聰明的人是一位來自德國的年輕天才——維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）。1925年的夏天，從一次花粉癥發作中恢復過來的海森堡在一個名為黑爾戈蘭島的德國小島上養病，其間，他在構建用來描述原子世界的數學體系時取得了重大進展。但這是一種非常奇怪的數學表達，而這個表達所描述的原子行為更加離奇。比如，海森堡認為，如果我們不是正在測量，那么我們將無法說出原子中電子的準確位置，不僅如此，由于電子以一種不可知的模糊方式運行，電子本身就沒有一個確定的位置。

海森堡因此被迫得出結論，原子世界是一個幽靈般非實質的地方，只有當我們架起測量設備與之互動時，它才能固定下來，成為真實的存在。這正是我們在引言中簡要介紹的量子測量過程。海森堡指出，這個過程只能揭示那些可以用特殊設備測量的特征——就像汽車儀表盤上各個獨立的工具，只能給出汽車運轉時某一方面的信息，比如速度、已行駛的距離或是引擎的溫度。因此，我們可以設計一個實驗來測量某一時間點上電子的精確位置；我們也可以設計一個不同的實驗來測量同一個電子的速度。但是，海森堡從數學上論證，要想設計單一的實驗，按照我們的意愿同時測量一個電子的位置和其移動的速度是不可能的。1927年，這個概念被簡要地概括為著名的“海森堡不確定性原理”（Heisenberg Uncertainty Principle），其在世界各地的實驗室中被反復證明。到現在為止，它依然是整個科學界最重要的創見之一，也是量子力學的一塊基石。

|薛定諤波動方程|

1926年1月，幾乎在海森堡發展自己理論的同一時間，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤寫了一篇論文，為原子描繪了一幅迥然不同的圖景。在論文中，薛定諤提出了一個數學方程，也就是現在廣為人知的“薛定諤波動方程”。該方程并沒有描述粒子的運動而是描述了波進化的方式。與海森堡不同，在薛定諤的論文里，電子并不是一個在原子內繞原子核軌道運動的、位置不可知的、模模糊糊的粒子，而是在原子內傳播的波。海森堡相信，如果不去測量，我們完全不可能畫出電子的肖像，而薛定諤則更喜歡將沒有被觀測的電子想象成一個真實的物質波，只不過我們一觀測，就會“塌縮”為一個離散的粒子。薛定諤的原子理論后來成了波動力學（wave mechanics），而薛定諤方程也以描述原子內波的進化和運動而聞名。今天，我們認為海森堡與薛定諤的理論是對量子力學的兩種不同的數學解讀，在各自的視角下，他們都是正確的。

無論是炮彈、蒸汽機車還是行星，每一樣都由數以兆計的粒子構成，當我們試圖描述這些普通物體的運動時，求解需要用到基于牛頓定律的一組數學方程。但是，如果我們需要描述的系統屬于量子世界時，我們需要用到的就是薛定諤波動方程了。這兩套方法有一個深刻的不同之處。在牛頓世界中，運動方程的解是一個或一組數字，能夠確定一個物體在給定時間點上的精確位置。而在量子世界中，薛定諤方程的解是一個被稱為波動方程的數學量，該方程不會告訴我們一個電子在一個特定時間點上的確定位置，但是，它會提供一個數集來描述：當我們去尋覓這個電子時，該電子在不同位置出現的概率各有多大。

當然，你可能會有這樣的第一反應：這樣的結果可不夠好，僅僅告訴我們電子可能出現在哪里聽起來并不像是那么有用的信息。你可能很想知道電子的確切位置。但是，與一個在空間中永遠占據一個確定位置的經典物體不同，只要不去測量，一個電子就會同時出現在多個地方。量子波動方程覆蓋整個空間，這意味著在描述電子時，我們所能做的極限就是算出一個數集來描述電子同時存在于空間中各點的概率，而不是在一個單一的位置找到電子。然而，我們必須要意識到，量子概率并不意味著我們的知識存在缺陷，我們也無法通過獲得更多的信息來彌補這一“缺陷”，因為量子概率本身就是自然界在微觀層面的根本性質之一。

假設一個珠寶大盜剛剛獲得了假釋，被放出監獄。但他并沒有痛改前非，而是舊習難改，很快重操舊業，開始在全城入室行竊。通過研究地圖，警察能夠追蹤到自釋放之日起他大致的行蹤。雖然警察不能指出任一時間點上他確切的位置，但是他們能夠大致確定他在城市的不同地區行竊的概率。

開始時，靠近監獄的住宅區風險最大，但是隨著時間的推移，面臨風險的區域會逐漸變大。而且，根據該盜賊過去選擇行竊目標的特點，警察也有一定的信心推斷，更富裕、擁有更昂貴珠寶的區域比相對較窮的區域面臨著更大的風險。這個擴散全城的“單人犯罪波”可以被看作是一個概率波。在不可感知、沒有事實支撐的情況下，一組抽象的數字就被分配給了這座城市的不同區域。與此相類似，波動方程會從電子上一次被觀測到的點開始擴散。通過計算波動方程在不同時間、不同地點的值，可以讓我們推測電子下一次會以多大的概率出現在哪里。

如果警察依照線報采取行動，在盜賊肩上背著贓物從窗戶中爬出時抓他個正著，那么又該如何解釋呢？在這一瞬間，警察描述盜賊行蹤的概率分布，迅速塌縮到一個確定的位置，此時，這個盜賊一定不可能再出現在其他地方。同樣，如果電子在一個確定的位置被檢測到，其波動方程也會瞬間改變。在檢測到電子的瞬間，在其他地方發現該電子的概率就變為零。

然而，這個類比也有不貼切的地方。在抓到竊賊之前，警察只能給盜賊的行蹤分配概率，他們這么做，是因為缺乏信息。畢竟，該盜賊一次只能出現在一個地方，并未真的遍布整個城市，而警察只能假設他可能出現在任何地方。但是，電子與盜賊形成鮮明的對比，當我們在追蹤其運動時，我們不能假設電子在某個特定的時間點上一定會出現在某個特定的位置。相反，我們能描述的只有波動方程，也就是它在同一時間可能出現在任何地方。只有通過“看”（進行一次測量），我們才能“迫使”電子成為一個可以定位的粒子。

到1927年，由于海森堡、薛定諤及其他科學家的貢獻，量子力學的數學基礎基本完成。今天，它們組成了大部分物理學與化學賴以發展的基礎，也向我們展現了一幅整個宇宙基本組成單位的非凡全景圖。事實也確實如此，如果沒有量子力學對所有事物如何協調共存的解釋力，現代技術世界的一大半成果都不可能出現。

因此，到了20世紀20年代晚期，由于在“馴化”原子世界的過程中獲得成功讓科學家備受鼓舞，幾位量子理論的先驅大步地走出了他們的物理學實驗室，開始征服一個全新的科學領域：生物學。

量子生物學的興起

在20世紀20年代，生命仍是個謎。雖然19世紀的生物化學家在建立對生命化學的機械論理解的過程中取得了巨大進展，但許多科學家仍然堅持活力論的原理，認為生物學不應該被貶低到只剩下化學和物理，而是需要有一套自己的法則。活細胞中的“原生質”依然被看作是由未知力量激活的神秘物質，而遺傳之謎也始終阻礙著遺傳學的發展。

但在那十年中，也涌現出一批被稱為有機論者的科學家。他們既反對活力論者的觀點，也不贊成機械論者的看法。這些科學家認為，生命確實還有未解的謎題，只不過這個謎題可以用尚未發現的物理和化學原理來解釋。有機論運動中最偉大的倡議者是另外一個奧地利人，他的名字富有異國情調，叫路德維希·馮·貝塔朗菲（Ludwig von Bertalanffy）。他最早創作了幾篇關于生物發育理論的論文，并在其1928年出版的《形態發生的重要理論》（Kritische Theorie der Formbildung）一書中強調了用一些新的生物原理來描述生命本質的必要性。他的思想，特別是在這本書中體現的思想，影響了許多科學家，包括后來量子物理學家的帶頭人之一——帕斯夸爾·約爾旦（Pascual Jordan）。

約爾旦出生于德國漢諾威并在當地接受教育，后來在哥廷根師從量子力學的奠基人之一馬克斯·玻恩（Max Born）。1925年，約爾旦與玻恩共同發表了堪稱經典的《論量子力學》（Zur Quantenmechanik）。一年后，其“續集”《論量子力學　Ⅱ》問世，由約爾旦、玻恩和海森堡合著。這篇被稱為“三大師杰作”的論文，被奉為“量子力學經典”之一，因為該文包括了海森堡創造性的突破，并以優雅的數學之美表現了原子世界的行為。

次年，當機會出現時，約爾旦做了一個歐洲同時代任何一個有上進心和自尊心的年輕物理學家都會做的選擇：到哥本哈根與尼爾斯·玻爾一同工作。大約在1929年左右，他們兩人開始討論量子力學是否有可能在生物學領域中具有某些應用。后來，約爾旦回到德國，在羅斯托克大學任教，在接下來的兩年中，他與玻爾保持通信，就物理學與生物學的關系展開討論。他們的思想集中呈現在約爾旦于1932年發表在德國雜志《自然科學》（Die Naturwissenschaften）上的一篇題為《量子力學與生物學和心理學的根本問題》（Die Quantenmechanik und die Grundprobleme der Biologie und Psychologie）的論文中，該文也被有些學者視為“量子生物學的第一篇科學論文”。

約爾旦在文章中確實表達了一些對生命現象的洞見，其中一個有趣的想法在此處萌芽，約爾旦稱之為“放大理論”（amplification theory）。約爾旦指出，非生命物體由數以百萬計的大量粒子的平均隨機運動來控制，單一分子的運動對整個物體的影響微乎其微。但是，他認為，生命卻大不相同，因為生命是由處于“控制中心”內的極少數分子來管理的，這些分子具有獨裁式的影響力，影響關鍵分子運動的量子事件，比如海森堡不確定性原理將被放大，對整個生命體產生影響。

這是一個非常有趣的思想，之后我們還會回頭討論，但是，該理論在當時并沒有得到發展，也沒有產生很大的影響力。因為，在1945年德國戰敗后，約爾旦的政治觀讓他在同時代的科學家中聲名狼藉，他在量子生物學方面的思想也因此被忽視了。其他在生物學與量子物理學之間牽線搭橋的科學家也受到戰爭的波及，四散飄零；而物理學，因為核彈的使用動搖了其核心，也將它的注意力轉向了更為傳統的問題。

不過，量子生物學的火焰依然熊熊燃燒著，守護這火種的不是別人，正是量子波動方程的發明者——埃爾溫·薛定諤。在第二次世界大戰爆發前夕，由于納粹政權認為他的夫人是“非雅利安”血統，薛定諤舉家逃離奧地利，在愛爾蘭定居下來。正是在那里，他于1944年出版了一本書，書名是一個開門見山的問題——《生命是什么》（What Is Life？）。

在此書中，薛定諤提出了一種對生物學的全新理解，至今仍是量子生物學領域的核心，當然也是本書的核心。在結束本章對科學史的回顧之前，讓我們先略微展開介紹一下薛定諤的洞見。

來自有序的有序

讓薛定諤萌生興趣的問題是謎一樣的遺傳過程。你或許還記得，那是20世紀上半葉，科學家們僅僅知道基因可以從一代傳遞到下一代，卻不知道基因的組成或其工作原理。于是，薛定諤開始思考，究竟是什么法則讓遺傳保持了如此高的精確性？換句話說，相同的基因拷貝如何能在代際間幾乎一絲不變地傳遞？

薛定諤知道，諸如熱力學定律之類的經典物理學與化學規律，雖然精確可以重復驗證，但實質上都是統計規律，背后是原子或分子的隨機運動，也就是說，它們只有在平均意義上是正確的，也只有在包含了極大量的粒子相互作用后，才是可靠的。回到之前那個臺球桌的模型，單球的運動是完全不可預測的，但是如果在臺面上扔大量的球，隨機地撞擊它們一小時左右，你就能做出預測，此時大部分球已經進洞。熱力學的原理正是如此：大量分子的平均行為是可預測的，而單一分子的行為卻不可預測。薛定諤指出，像熱力學定律之類的統計規律，不能精確地描述僅由少量粒子構成的系統。

比如，讓我們以羅伯特·玻意耳（Robert Boyle）與雅克·查理（Jacques Charles）于約300年前提出的氣體定律為例。他們描述了氣球中氣體的體積在受熱時如何膨脹、在遇冷時如何收縮的規律。這個現象后來可以用一個簡單的數學公式來概括描述——理想氣體狀態方程。一個氣球遵循這些規規矩矩的定律：當你給它加熱時，它就膨脹；當你讓它冷卻時，它就收縮。雖然氣球遵循這些定律，不過，事實上，氣球里數以兆計的分子正在像毫無秩序的臺球一樣各自做著完全隨機的運動，互相碰撞、抖動，在氣球的內壁上反彈等。那么，完全無序的運動是如何產生出秩序井然的定律的呢？

當氣球被加熱時，氣體分子運動加劇，使它們在互相碰撞或與氣球內壁碰撞時的力量有了輕微的增加。額外的力對氣球的彈性表面產生更多壓力，使其擴張（就像臺球對玻爾茲曼臺球桌上那個可移動的短桿所做的事情一樣）。擴張的量取決于提供的熱量有多少，完全可以預測，可以通過計算氣體方程準確地描述出來。此處的要點在于，像氣球一樣的單一物體嚴格遵守氣體定律，因為氣球表面單一、連續而有彈性，其有序運動來自極大量粒子的無序運動，用薛定諤的話說，產生了“來自無序的有序”（order from disorder）。

薛定諤繼續論證道，不僅只有氣體定律從大數統計中獲得了準確性，所有的經典物理學及化學定律——包括描述流體動力學或化學反應的定律——無一不是基于“大數的平均”或“來自無序的有序”這一原理。

不過，雖然一個填充有數以兆計氣體分子的、正常大小的氣球永遠遵守氣體定律，但一個微觀的氣球，一個小到只填充有幾個氣體分子的氣球卻不然。因為，即使在恒溫下，這幾個分子也會間或地、完全隨機地互相遠離，使氣球膨脹，同理，它們也偶爾會完全隨機地向內運動，使氣球收縮。因此，一個極小氣球的行為在很大程度上將變得不可預測。

在生活的其他方面，基于大數的秩序性及可預測性對我們來說已經非常熟悉了。比如，美國人比加拿大人喜歡打棒球，而加拿大人比美國人喜歡打冰球。基于這項統計“規律”，一個人可以對這兩個國家做一些進一步的預測，比如美國會比加拿大進口更多的棒球，而加拿大會比美國進口更多的冰球棍。但是，盡管這樣的統計“規律”對有幾百幾千萬居民的國家來說具有預測性價值，但是它們卻無法精確地預測單個的小鎮，比如一個位于明尼蘇達州或薩斯喀徹溫省的小鎮中冰球棍或棒球的貿易。

薛定諤并不只是簡單地認識到經典物理學的統計規律在微觀層面并不適用，他更近一步量化了精確性衰退的過程，計算出那些統計規律的離差與涉及粒子數量的平方根成反比。因此，一個填充有1012粒子的氣球，其對氣體定律的偏離程度是1/106。然而，一個僅填充有100個粒子的氣球，其偏離有序行為的程度就達到了1/10。雖然此時該氣球受熱仍然會膨脹，遇冷仍然會收縮，但是它的行為不再能被任何確定性的定律所描述。經典物理學的所有統計規律都受制于這樣的限制：對于由極大量粒子組成的物體來說，它們是正確的，但它們卻不能描述由少量粒子組成的物體的行為。所以，任何依賴于經典定律可靠性與規律性的物體，自身需要由大量的粒子構成。

那么生命呢？生命的有序行為，比如其遺傳規律，是否可以用統計規律解釋呢？在思考這一問題時，薛定諤總結道，奠定了熱力學基礎的“來自無序的有序”原理無法解釋生命——因為，在他看來，至少有一些極其微小的生物“機器”因為太小而不適用經典定律。

比如，在薛定諤撰寫《生命是什么》那個年代，遺傳被認為由基因來控制，但是基因的性質又是個謎——薛定諤問了一個簡單的問題：基因是否大到足以保證其在復制過程中對精確性的偏離符合統計上的“來自無序的有序”呢？他后來大致估算出單個基因的體積應該是邊長不大于300埃的立方體。這樣一個立方體大約能夠容納100萬個原子。這聽起來好像還挺多的，但是100萬的平方根是1 000，因此，按照這種方法推斷出的遺傳中的不精確性或“噪音”應該是0.1%。因此，如果遺傳是基于經典的統計規律，它產生錯誤的程度（偏離規律）應該是0.1%。但是，事實上基因的傳遞非常準確，其變異率（錯誤率）小于1/109。這種非比尋常的高精度讓薛定諤相信，遺傳規律不可能建立在“來自無序的有序”的經典定律之上。相反，他認為基因更像是單個的原子或分子，符合另一科學領域的規律，非經典但擁有奇特的秩序，也就是由他做出的貢獻的量子力學領域。薛定諤提出，遺傳應該基于一種新的原理，即“來自無序的有序”（order from order）。

薛定諤最先于1943年在都柏林圣三一學院的一系列演講中介紹了這一理論，隨后將其發表在次年出版的《生命是什么》一書中。他在書中寫道：“生命有機體似乎是一個宏觀系統，該系統的一部分傾向于某種行為……所有的系統在當溫度趨近絕對零度且分子的無序狀態消除時，都將趨向于這種行為。”由于某些我們即將討論的原因，在絕對零度時，所有的物體都服從量子的而非熱力學的定律。

薛定諤認為，生命正是一種能在空中飛翔、能用兩足或四足行走、能在海洋里游泳、能在土壤中生長，或是能閱讀此書的量子現象。

生命是量子的

在薛定諤的書出版之后幾年，人類發現了DNA分子的雙螺旋結構，分子生物學——一個基本不會涉及量子現象的學科——也如雨后春筍般成長起來。基因克隆、基因工程、基因組鑒定、基因組測序被生物學家發展起來，而這些科學家總體上心安理得地忽視了在數學上具有挑戰性的量子世界。雖然，大多數科學家偶爾也嘗試在生物學與量子力學的邊界上游走，但他們忘記了薛定諤大膽的提議，許多人甚至公開反對將量子力學引入對生命的解釋中。比如，英國化學家與認知心理學家克里斯托弗·朗吉特-希金斯（Christopher Longuet-Higgins）曾于1962年寫道：

我記得幾年之前曾有關于在酶與底物之間可能存在長距的量子力的討論。然而，對這種假設持保留意見絕對是正確的。因為該假設不僅缺乏可靠的實驗證據，而且也很難與分子間作用力的一般理論相調和。

到了1993年，《生命是什么？未來五十年》（What is Life?The Next Fifty Years）一書出版了。當時在都柏林舉辦了紀念薛定諤理論發表50年的學術會議，該書正是參會學者的論文合集，不過書中對量子力學卻鮮有提及。

當時，對薛定諤理論的質疑主要源于一個普遍的共識：微妙的量子狀態不可能在活體生物內部溫熱、濕潤、雜亂的分子環境中存在。正如我們在引言中指出的那樣，這也是為什么許多科學家曾經非常質疑“鳥類羅盤由量子力學所主宰”的主要原因（許多科學家現在仍然在質疑）。你或許還記得，當在引言中討論這個問題時，我們認為物質的量子性質會被物體內部分子的隨機運動“抵消”掉。現在，我們可以用熱力學的觀點來看看這種損耗的原因：薛定諤發現，像臺球一樣的分子沖撞正是“來自無序的有序”這一統計規律的源頭。

隨機散布的粒子可以通過重新排列整齊來揭示其隱藏的量子性質，但這種重新排列通常只能在特殊環境下進行，而且只能維持極短的時間。比如，我們曾提到，基于量子自旋，散布在我們體內隨機自旋的氫原子核，可以排列整齊生成一個連續一致的核磁共振信號，但只有在一個由強力磁鐵提供的極強磁場中，而且只有當磁力能夠維持時才能實現：只要磁場一關閉，粒子又會在所有分子的沖撞中恢復隨機排列，量子信號重新變得分散而難以探測。隨機分子運動會干擾精心排列的量子系統，這種現象被稱為“退相干”（decoherence）。正是這種現象快速地抵消掉了宏觀非生命物體奇特的量子效應。

提高身體的溫度會增加分子沖撞的能量和速度，因此，退相干現象在較高的溫度下更為常見。但你可別以為“較高的溫度”指的是我們認為“熱”的溫度。事實上，即使在常溫下，退相干也無時無刻不在發生。這就是為什么“溫熱的生命體可以保持微妙的量子狀態”至少在一開始時讓人覺得不合情理的原因。只有當物體溫度降到接近絕對零度——-273℃——隨機分子運動才會完全靜止，并使退相干現象消失，量子力學的作用才會顯現出來。上文剛引用過薛定諤的話，現在我們明白了他的意思。這位物理學家的意思是，生命設法按照一套特殊的規則行事，而這套規則通常只有在比任何生物都低273℃左右的環境中才能運行。

但是，正如約爾旦或薛定諤主張的那樣，隨著閱讀的深入，你會發現，生命不同于非生命物體。數量相對較少卻高度有序的一些粒子，比如一個基因或是鳥類羅盤內部的那些粒子，能對整個生命體造成巨大的影響。這正是約爾旦所說的“放大效應”，也是薛定諤所謂的“來自有序的有序”。你眼睛的顏色、鼻子的形狀、性格的方方面面、智力水平甚至包括患不同疾病的傾向，其實都已經由46個高度有序的超級分子精確地決定了。這些超級分子正是你從父母那里繼承來的DNA染色體（共46條）。在已知的宇宙中，沒有任何一種宏觀非生命物體能夠對結構精細而又如此微小的物質擁有這樣的敏感度。在這樣一個微小的層次，量子力學取代了經典定律，統領著一切。薛定諤論證道，正是這個現象讓生命如此與眾不同。2014年，在薛定諤的書出版70年后，我們終于體會到了他的良苦用心，開始懂得欣賞這位科學家給出的絕妙答案及其令人震驚的影響。而此時，薛定諤在70年前回答過的問題依然值得我們反復自問：生命是什么？