第七章 生命以物理定律为基础吗？76

    如果一个人从不自相矛盾，那一定是因为他实际上什么也不说。


    ——乌纳穆诺（引自谈话）


    61.有机体可望有新的定律


    简而言之，我在这最后一章希望阐明的是，根据我们对生命物质结构的所有了解，我们一定会发现其运作方式无法归结为普通的物理学定律。这不是因为是否有某种“新的力”在支配着生命有机体中单一原子的行为，而是因为它的构造与迄今为止我们在物理实验室中检验过的任何东西都不一样。粗浅地说，一位只熟悉热机的工程师在检查了一台电动机的构造之后，会发现它是按照他尚不了解的原理运转的。他发现，他很熟悉的制壶用的铜，在这里成了很长的铜丝绕成的线圈；他很熟悉的制杠杆、栅栏和汽缸的铁，在这里却填充于那些铜线圈内部。他确信这是同样的铜和同样的铁，服从于同样的自然定律，在这一点上他是对的。但不同的构造却使他期待着一种完全不同的运作方式。他不会认为电动机是由幽灵驱动的，尽管它没有锅炉和蒸汽，只需按下开关便会运转起来。


    62.评述生物学状况77


    在有机体的生命周期里展开的事件显示出一种美妙的规律性和秩序性，我们在无生命物质那里碰到的任何东西都无法与之匹敌。我们发现它是由一种极为有序的原子团所控制的，在每一个细胞中，这种原子团只占原子总数的很小一部分。而且，根据我们业已形成的关于突变机制的看法，我们断定，在生殖细胞的“支配性原子”团里，只要少数原子的位置发生移动，就能使有机体的宏观遗传性状出现明确改变。


    这些事实无疑是当今科学所揭示的最有趣的东西。我们最终也许会发现它们并非完全不可接受。有机体将“秩序之流”集中于它自身，从而避免衰退为混乱的原子，这种从合适的环境中“吸取秩序”的惊人天赋似乎与“非周期性固体”即染色体分子的存在有关。凭借着每一个原子和原子团各自发挥作用，这些分子无疑代表着已知的有序度最高的原子集合体，其有序度远比普通的周期性晶体高得多。


    简而言之，我们看到现存秩序显示出维持自身和产生有序事件的能力。这种说法听起来似乎很有道理。但之所以如此，无疑是因为我们吸取了关于社会组织和与有机体活动有关的其他事件的经验。因此，它有点像循环论证。


    63.综述物理学状况


    无论如何，必须反复强调，对于物理学家来说，这一事态不仅不是貌似有理，而且非常振奋人心，因为它是前所未有的。与通常的看法相反，受物理定律支配的事件的规则进程绝非源于原子的一种有序构形——除非原子构形多次重复自身，就像在周期性晶体或者由大量全同分子组成的液体或气体中那样。78


    甚至当化学家离体 研究一种非常复杂的分子时，他也总是面对着大量相似的分子。他的定律适用于这些分子。例如他会告诉你，某个反应开始一分钟之后，会有一半分子起反应，两分钟之后会有3/4的分子起反应。但即使你可以追踪某个分子的进程，化学家也无法预言这个分子是属于已经起反应的分子，还是属于未起反应的分子。这纯粹是机会的问题。


    这并不是一种纯理论的猜测。也不是说我们永远无法观察到单个原子团甚至是单个原子的命运。有时我们是能够做到的。但只要我们这样做，就会发现完全的不规则性，只有平均来看才能共同产生规则性。我们曾在第一章讨论过一个例子。悬浮在液体中的一颗微粒的布朗运动是完全不规则的。但如果有许多类似的微粒，它们的不规则运动将会引起规则的扩散现象。


    单个放射性原子的蜕变是可以观察到的（它发射出一粒“子弹”，在荧光屏上会产生一次可见的闪烁）。但如果给你一个放射性原子，它的可能寿命要比一只健康的麻雀不确定得多。事实上，关于单个放射性原子只能说：只要它活着（可能是数千年），它在下一秒钟毁灭的机会（无论是大是小）就总是相同的。然而，这种个体决定性的明显缺乏却使得大量同一种放射性原子的衰变服从于精确的指数定律。


    64.明显的对比79


    在生物学中，我们面临着完全不同的状况。只存在于一个副本中的单个原子团产生了有秩序的事件，根据非常微妙的法则，它们相互之间以及与环境之间奇妙地协调一致。我说只存在于一个副本中，是因为我们毕竟还有卵子和单细胞有机体这样的例子。在高等有机体随后的阶段中，副本的确增多了。但增加到什么程度呢？据我所知，在长成的哺乳动物中约为1014 次方。那是多少呢？只有1立方英寸空气中分子数目的百万分之一。数量虽然相当大，但聚集起来只能形成一小滴液体。再看看它们的实际分布。每一个细胞正好容纳了一个副本（如果考虑二倍体，那么是两个副本）。既然我们知道这个微小的中央机关在孤立细胞中的权力，那么，每个细胞难道不像遍布全身的、用共同的密码非常方便地互通信息的地方政府工作站吗？


    这真是令人难以置信，说这话的人更有可能成为诗人而不是科学家。然而，无须诗意的想象，只需认真而清晰的科学反思即可认识到，我们这里显然面对的是这样一些事件，指导其规则有序展开的“机制”完全不同于物理学的“概率机制”。我们观察到的事实是：每一个细胞中的指导原则体现在仅存于一份（有时是两份）副本中的单个原子集合体之中，而且由这一指导原则产生了高度有序的事件。一个很小但却高度组织化的原子团能以这种方式起作用，无论我们对此感到惊异还是认为很有道理，这都是前所未见的情况，我们只在生命物质这里知道它。研究无生命物质的物理学家和化学家们从未见过必须按照这种方式来解释的现象。这种事例以前没有出现，所以我们的理论没有包括它——我们美妙的统计学理论很值得自豪，因为它使我们看到了幕后的东西，看到了从原子和分子的无序中涌现出来的精确物理定律的美妙秩序；它还表明，最为重要和普遍的无所不包的熵增定律无须特设性假说就可以理解，因为熵只不过是分子的无序罢了。80


    65.产生有序的两种方式


    在生命展开过程中遇到的有序出自一个不同的来源。有序事件的产生似乎有两种不同的“机制”：“有序来自无序”的“统计学机制”和“有序来自有序”的新机制。对于没有偏见的人来说，第二条原理似乎要简单和合理得多。无疑是这样。正因为如此，物理学家才会充满自豪地赞成另一条原理，即“有序来自无序”。自然界实际遵循着这条原理，而且只有它才使我们理解了自然事件的发展线索，首先是自然事件的不可逆性。但我们不能指望由此得出的“物理定律”能够直接解释生命物质的行为，因为后者最显著的特征显然主要基于“有序来自有序”这一原理。不能指望两种完全不同的机制会引出同一种定律，正如你不能指望用你的弹簧锁钥匙去开你邻居的门。


    因此，我们不必因为普通的物理定律难以解释生命而泄气。因为根据我们对生命物质结构的了解，这正是预料之中的事。我们必须准备去发现在生命物质中占支配地位的一种新的物理定律。如果不把这种定律称为超物理定律，可否称之为一种非物理定律呢？


    66.新原理并不违反物理学81


    不，我不这么认为。因为这条新原理是真正物理学的原理：在我看来，它只不过再次是量子论原理罢了。要想解释这一点，我们不得不说得详细一些，即使不是修正，也要对前面断言的“所有物理定律都建立在统计学的基础之上”作一番改良。


    这个一再做出的断言不可能不引起矛盾。因为确实有一些现象，其突出特征是直接基于“有序来自有序”的原理，似乎与统计学和分子的无序毫无关系。


    太阳系的秩序和行星的运动几乎被无限期地维持着。此刻的星座与金字塔时代任一时刻的星座是直接相关的；从现在的星座可以追溯到那时的星座，反过来也是如此。人们计算过历史上的日月食，发现结果与历史记</a>录非常符合，在某些情况下甚至可以用来校正业已接受的年表。这些计算并不包括任何统计学，它们纯粹是以牛顿的万有引力定律为基础的。


    一个精确的时钟或者任何类似的机械装置的规则运动似乎也与统计学无关。简而言之，所有纯粹机械的事件似乎都明确而直接地遵循着“有序来自有序”的原理。必须从广义上来理解我们这里所说的“机械”。我们知道，有一种非常有用的时钟是通过电站规则地输送电脉冲来运转的。


    我记得马克斯·普朗克就“动力学类型和统计学类型的定律”这一主题写过一篇很有意思的小论文（德文是“Dynamische und Statistische Gesetzm?ssigkeit”）。两者之间的区别恰恰就是我们这里所谓的“有序来自有序”和“有序来自无序”。那篇论文旨在表明，控制宏观事件的统计学类型的定律是如何由据说支配着微观事件即单原子与单分子之间相互作用的“动力学”定律所构成的。行星或时钟的运动等宏观机械现象说明了后一类型的定律。82


    于是，被我们一本正经地当作理解生命的真正线索的“新”原理，即“有序来自有序”的原理，对物理学来说根本不是什么新东西。普朗克甚至还亮出了证明其优先权的态度。我们似乎得出了一个可笑的结论：理解生命的线索是，生命建立在纯粹机械论的基础之上，是普朗克论文中那种意义上的“钟表装置”。在我看来，这一结论既不可笑，也并非全错，但不可全信。


    67.时钟的运动


    让我们准确地分析一下实际时钟的运动。它绝不是一种纯粹机械的现象。纯粹的机械钟将不需要发条，也不需要上发条。它一旦开始运动，就会永远运动下去。而实际的时钟如果没有发条，摆动几下就会停止下来，它的机械能被转化为热能。这是一种无限复杂的原子过程。物理学家对这种运动的一般描述迫使其承认，相反的过程并非完全不可能：无发条的时钟通过消耗其自身齿轮的热能和环境的热能，可能会突然开始走动。物理学家一定会说：时钟经历了一次异常强烈的布朗运动猝发。我们在第一章（第9节）已经看到，用一种非常灵敏的扭力天平（静电计或电流计）就能发现这种事情一直在发生。对于时钟来说，这当然是极不可能的。


    应把时钟的运动归于动力学类型的还是统计学类型的合定律事件（借用普朗克的表述），这取决于我们的态度。称它为一种动力学现象时，我们的注意力是集中在了用一根较松的发条就能保证的规则运转上，这根发条克服了热运动所引起的微小扰动，所以我们可以忽略不计。但如果我们还记得，没有发条，时钟就会因为摩擦阻力而逐渐停摆，那么我们就会发现，只能把这一过程理解为一种统计学现象。83


    无论从实际的观点看，时钟中的摩擦效应和热效应是多么无关紧要，并未忽视这些效应的第二种看法无疑是更基本的一种看法，即使当我们面对着由发条驱动的时钟的规则运动时也是如此。因为绝不能认为驱动机制真的消除了过程的统计学性质。真正的物理学描述包括这样一种可能性：即使是一台正常运行的时钟，也可能通过消耗环境中的热能，突然使它的运动逆转，并且后退回去重新上紧自己的发条。这种事件的可能性甚至比没有驱动装置的时钟的“布朗运动猝发”还要小一点。


    68.钟表装置终究是统计学的


    现在我们做些评论。我们分析过的“简单”情形是其他许多例子的代表——事实上，它代表着避开了无所不包的分子统计学原理的所有那些情形。由实际物质（不是想象中的东西）制成的钟表装置并非真正的“钟表装置”。机会的要素可能被或多或少地减少了，时钟突然之间完全走错的可能性也许是无限小的，但总是保存在幕后。即使在天体运动中，也不是没有摩擦和热的不可逆影响。于是，地球的旋转因为潮汐的摩擦而逐渐减慢，与这种减慢相伴随的是月球逐渐远离地球，倘若地球是一个完全刚性的旋转球体，这种情况就不会发生。


    然而，“物理钟表装置”仍然清楚地显示了非常突出的“有序来自有序”特征——物理学家在有机体中碰到这种特征时非常振奋。这两种情形可能终究是有某种共同之处的。至于这种共同之处是什么，以及是什么明显区别使得有机体的情形成为新奇的和前所未见的，这还有待于认识。84


    69.能斯特定理


    一个物理系统——任何种类的原子结合体——何时会显示出（普朗克意义上的）“动力学定律”或“钟表装置的特征”呢？关于这个问题，量子论有一个非常简短的回答：在绝对零度。接近绝对零度时，分子的无序不再对物理学事件有任何影响。顺便说一句，这个事实并不是通过理论而发现的，而是通过认真研究广泛温度范围内的化学反应，再把结果外推到实际上无法达到的绝对零度而发现的。这就是瓦尔特·能斯特（Walther Nernst）著名的“热定理”，它有时被不无恰当地誉为“热力学第三定律”（第一定律是能量原理，第二定律是熵原理）。


    量子论为能斯特的经验定律提供了理性“基础”，也使我们能够估计出，一个系统为了显示出一种近似于“动力学”的行为必须接近绝对零度到什么程度。在任何一种具体情形中，什么温度实际上等同于绝对零度呢？


    千万不要以为这个温度一定是极低的低温。事实上，即使在室温下，熵在许多化学反应中也起着极其微不足道的作用，能斯特的发现正是由这一事实引出的。（我再重复一次，熵是分子无序性的直接量度，即它的对数。）


    70.摆钟实际上是在零度


    那么摆钟的情况如何呢？对于摆钟来说，室温实际上就等同于零度。这就是为什么它是“动力学地”工作的原因。如果将它冷却，它会一样地继续工作（只要已经除去了所有油渍）！但如果把它加热到室温以上，它就不再继续工作了，因为它最终将会熔化。85


    71.钟表装置与有机体之间的关系


    这看起来似乎无关紧要，但我认为它切中了要害。钟表装置之所以能够“动力学地”工作，是因为它由固体构成，这些固体被伦敦-海特勒力保持为一定的形状，在常温下这种力足以避免热运动的无序倾向。


    现在我认为有必要再讲几句话来揭示钟表装置与有机体的相似之处，那就是：有机体也是依靠一种固体（形成遗传物质的非周期性晶体）而大大摆脱了热运动的无序。但请不要指责我把染色体纤维称为“有机体机器的齿轮”——至少没有不考虑这则比喻所基于的深刻的物理学理论。


    事实上，用不着多少修辞就能说明两者之间的基本区别，并且证明这种比喻在生物学情形中是新奇和前所未有的。


    最显著的特征是：首先，齿轮奇特地分布在一个多细胞有机体之中，关于这一点可参见我在第64节中所做的带有诗意的描述；其次，这种单个的齿轮并非粗糙的人工制品，而是沿着上帝的量子力学路线所完成的最为精美的杰作。