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閱讀書籍 - 活物:所謂生命,是什麼? 福岡伸一

活物:所謂生命,是什麼? 福岡伸一

原子愛運動

[日期:2011-04-01] 來源:網友上傳  作者:福岡伸一 如佛友覺得此書不錯,請按

  原子愛運動

  我們的身體為什么這么大,又恰好這么大呢?全是原子運動的功勞!

  小貝殼為什么如此漂亮

  暑假,沿著沙灘散步的時候,你就會感覺到腳底下散落著無數的生物與非生物。你會看到一些紅色的小沙石上布滿了線條。我撿起了一塊,捧在手心看了好久,然後把它扔到了沙灘上。不經意間,我看到,在原來那塊小沙石的旁邊,有枚跟它顏色很接近的小貝殼。雖然它已經沒有生命力了,但我分明從中感覺到了生命的力量。那么,我所看到的這枚小貝殼跟之前扔掉的小沙石之間,究竟有著什么本質上的區別呢?

  “所謂生命,是一種可以進行自我複制的系統。”這個定義是科學家們對生命的基礎、遺傳基因的本質--DNA分子的結構分析後作出的。

  貝殼確實是貝的DNA產生的。但是,現在我們所看到的貝殼,又會有一種與“複制”完全不同的感覺。無論是小沙石還是貝殼,都是原子聚集在一起形成的一種自然造型,看上去也都很漂亮。但是,這小小的貝殼散發出來的硬質的光芒卻蘊藏著小沙石不具有的美。這是因為,貝殼的美是由秩序產生的,而這種美只有動態的物質才具有。

  動態秩序也許,這就是定義生命的另外一個條件。為了對這個進行研究,我們的記憶需要回到20世紀50年代,也就是“DNA的世紀”剛開始的那個年代。

  如前所述,向DNA的結構解析發出挑戰的沃森、克裏克、威爾金斯等,都受到了一本書的啟發,那就是量子力學的先驅者薛定諤於1944年隱居在愛爾蘭都柏林時出版的《生命是什么》這本書。

  其實,書中給沃森他們最大啟發的還是薛定諤的那句總括性的預言:生命最終都可以用物理學或化學的語言來進行說明。而沃森他們直到50年代的時候,才讀到了這本書。另外,薛定諤對於遺傳基因的認識僅僅停留在物質階段,而他在生物學上這方面的知識也是很匱乏的,因為他是一個物理學家。

  說起 1944年,紐約洛克菲勒研究所的奧斯瓦爾德•艾弗裏在這一年發表了一篇很嚴謹的論文。他在論文中主張,遺傳基因的本質不是之前大家公認的蛋白質,而是核酸。但是他的這一發現,受到了來自同事的猛烈的抨擊,當時幾乎沒有人去理會他。當然了,薛定諤也就不可能看到這篇論文。所以,薛定諤關於生命的認識是僅僅停留在物理學層面上的。後來,沃森和克裏克有了一個重要的發現,那就是,遺傳基因的本質是一種叫做脫氧核糖核酸(DNA)的物質,雙螺旋結構是遺傳基因複制機構的載體。而這一發現,給薛定諤的預言畫上了一個圓滿的句號。

  另一方面,薛定諤關於生命所體現出來的另外一個重要特點的想法-原子為什么這么小呢,卻漸漸地被人們遺忘了。原子的平均化行為

  在《生命是什么》的開頭,薛定諤提出了這樣一個問題:“原子為什么這么小呢?”

  這個看上去很傻的問題究竟有什么含義呢?另外,它與生命現象的表現形式之間究竟有什么關系呢?

  確實,那一個一個的原子看上去的確都非常非常的小。一個原子的直徑在1-2埃之間,而1埃相當於1厘米的百億分之一。構成生命現象的最小單位是細胞,其直徑在30-40萬埃之間,它裏面包含著無數的原子。

  薛定諤對原子的大小和生物的大小之間的關系作了說明之後,又提出了一個很尖銳的問題,那就是:

  原子為什么這么小呢?

  這個問題的確是太尖銳了。因為我們現在討論的問題實際上是原子的大小,是生物體的大小,尤其是我們人類自己身體的大小。……

  因此,這個問題的真實意圖在於探討兩種大小--我們自己身體的大小和原子的大小的比例關系。如果把原子為什么這么小的問題當成是一個科學性的問題,那么,我們的目的就明確了,即:將我們的身體與原子相比較,探討一下為什么我們的身體會比原子大這么多。

  之後,薛定諤舉了很多例子來進行說明,最後得出一個結論:一般來講,原子總是不停地在做無秩序的熱運動。其中之一就是“布朗運動”。我們無法直接看到原子做運動時的樣子,但是在顯微鏡下,我們可以看到又小又輕的粒子,比如說浮在水面上的花粉或漂在空氣中的霧氣(微小的水滴)的運動情況。明白了這一點,我們就可以明白,粒子是在不停地做著非常不規律的運動,這種運動被稱為布朗運動。

  微粒子周圍存在著我們看不到的原子(確切地說,水中的花粉,其周圍是水分子;空氣中的霧氣,其周圍則是氣體分子),受它們的影響,微粒子不停地運動。另外,在空氣中有霧氣的情況下,由於重力作用,水滴會慢慢地降落到地表上來,以此來實現整體的平均化。在這裏,薛定諤提到了“平均化”這個概念。

  在他所舉出的例子中,還有一個叫“擴散”。我們來做個新穎的說明吧。

  往盛滿水的正方體容器的一角投入某種有色物質(在這兒用的是紫色的過錳酸鉀)。如果將容器靜置,過錳酸鉀就會開始慢慢地擴散。剛開始的時候,只有容器的一角有過錳酸鉀,而隨著時間的推移,過錳酸鉀逐漸擴散,原來很深的紫色也漸漸變淺,直到在容器裏分布得很均勻。

  但是,過錳酸鉀並不是“喜歡”從最初混合的地方向比較空的地方移動,在這裏也不存在什么力或者什么傾向性。

  過錳酸鉀的粒子受到水分子的沖擊後,開始移動,它所移動的方向,並不是我們預先所能料想到的。在某些情況下,是由濃度低的地方移動到濃度高的地方,而有些時候,則是從濃度高的地方移動到濃度低的地方。即使如此,過錳酸鉀的粒子也能最終實現從濃度高的地方有規律地移動到濃度低的地方,並且實現平均化。那么,這是為什么呢?這正是由於各分子進行隨機移動而產生的結果。

  現在,讓我們來做一個假設。假設正方體容器裏面被分為左、右兩個相等的小區域。過錳酸鉀的各個粒子通過無規律運動,有的從右邊區域移動到左邊區域,有的則從左邊區域移動到右邊區域,在這裏其概率是相同的。當右邊區域裏的過錳酸鉀比左邊的多得多的時候(最好最先開始的時候,將過錳酸鉀盡可能多地放在右邊區域裏)做一個分隔標記,就會看到,從右邊區域移動到左邊區域裏的粒子要比從左邊區域移動到右邊區域裏的粒子多得多。那么這是為什么呢?這是因為,做無規律運動的這些粒子中,右邊的要比左邊的多得多。

  而如果要進行平均化,那么就需要粒子從右邊移動到左邊,也就是從過錳酸鉀濃度高的地方移動到濃度低的地方。粒子持續運動,一直到實現整體上的平均化。當然了,在這之後,粒子也會繼續進行無規律運動。

  薛定諤為什么要進行這么細致的說明呢?因為他想推出一個原理。那就是,物理法則是與若幹原子運動有關的統計學上的記述。也就是說,只有在實現平均化的時候,才能得到近似的一致。

  我們的身體為什么這么大

  如果說,要將所有的生命現象歸結於物理法則的話,那么構成生命的原子也必須進行無休無止的無規律熱運動了(指我們剛剛提到的無規律運動以及擴散)。也就是說,細胞內部總是在不停地進行著運動,這樣才能構成生命的秩序。以這個為大前提,就能得出“我們的身體就必須要比原子大得多才行”的結論。

  這是因為,所有有秩序的現象都始於若幹膨大的原子(或者說是原子構成的分子)在一起運動,實現其“平均化”。原子的“平均化”是要遵循統計學法則的,而這一法則的精度則隨著相關原子數量的增加而提高。

  在無規律運動中建立起來的秩序,事實上是由在集體內部有一定傾向性的原子的平均概率形成的。

  在這裏,我們假設有100個微粒子組成一個集體。把這些微粒子撒到空中,這就跟薛定諤所舉的空氣中的霧一樣,微粒子進入空氣中後開始向四面八方擴散,由於受到重力影響,開始進行“平均化”,並降落到地面上來。

  再進行一次假設,將這100個微粒子投進盛滿水的正方體容器的右端一角。在這種情況下,微粒子與水分子之間發生碰撞,開始了無規律的運動。根據我們之前提到的擴散原理,微粒子逐漸向濃度低的一端擴散開來。

  那么,讓我們在某一個瞬間對這兩處的微粒子進行一次觀測。8 本來,那100個微粒子被撒到空氣中後,是應該往下墜落的,而被投入到水裏的那些微粒子也應該是向濃度低的一端擴散的。但是,在那一瞬間我們觀測的結果是,發現有一些微粒子並未遵循這一法則。這些微粒子並沒有往下墜落,反而往上升了,或者這些微粒子並沒有往濃度低的一端擴散。

  這些脫離了“平均化”的微粒子的概率,是遵循一種法則--平方根法則的。根據這個法則,在這100個微粒子當中,有10個左右的微粒子是不遵循“平均化”軌道的。這一數值,是從純粹的統計學角度出發推導出來的。

  現在,讓我們來假設一個只有100個原子構成的生命體吧。不管這個生命體進行的是什么樣的運動,我們都必須接受這100個原子中有10個左右的粒子是例外的,不做這種運動。那么,這個生命體就總是存在10%左右的誤差。而這對於要求有嚴格秩序的生命活動來說,是一個致命的概率。

  那么,如果我們假設一個生命體中有100萬個原子呢?那么根據平方根法則,例外的粒子數就是1000個。也就是說,誤差率是1000:1000000=0.1%,這個數值就比剛才的10%要小得多了。事實上,豈止是100萬,簡直是有100萬的幾億倍數量的原子與分子參與了生命活動。所以,薛定諤指出,這就是生命體遠遠大於原子的物理學上的解釋。

  參與生命活動的粒子數量越少,不遵循平均化法則的粒子產生的誤差率就會越高。而如果參與的粒子數量越多,誤差率就會大大降低。正是為了使生命現象有嚴格的秩序,“原子才會這么小”,或者說,“生命體才會這么大”。

  生命形態受限制之謎

  事實上,人類到近些年才明白,擴散原理對生命初始階段基本形態的形成有著巨大的作用。

  我們的身體裏有根脊柱,以此為軸,我們的身體呈左右對稱結構。脊柱是分節構造,我們的神經也是根據這分節的脊柱進行分布的,這是脊椎動物的基本構造。而昆蟲、蜈蚣、蜘蛛或蚯蚓等無脊椎動物,也是沿中心線進行分節的分節構造體,它們也遵循這一通則。那么,這意味著什么呢?

  用生物進化論來解釋,則是:進化的原動力發生了突然變異。突然變異是沒有方向性的,因此它們做的是隨機運動。在生命曆史的某一階段,發生了隨機的突然變異,於是出現了具有分節構造的生物。比起沒有分節構造的光滑的生物來,有著分節構造的生物的樣子就顯得十分醜陋了,但是,它們也由此享受到了分節構造生物特有的優勢。比如,通過分節,生物體的機能可以得到分擔,可以提高物質的利用率,在受傷的時候能保證只傷到其中的一節,並且有利於恢複。這樣,有分節構造的生物就能夠很好地適應環境,它們打敗了無分節構造的生物,於是,今天地球上大面積分布著的是有著分節構造的生物。

  但是,我覺得要是把現有的生命的特征尤其是形態特征,都歸因於進化論,即自然淘汰這一法則,以及由此發生的隨機變異的話,那么將生命的多樣性總結得也未免太簡單了。於是,我感到了8 巨大的恐慌。

  當然了,有了一定的物理框架、物理制約,然後才能有生命體,這一思維是沒錯的,也確實有很多這樣的現象存在。分節構造就是其中一例。

  有種小動物叫果蠅。科學家就是通過觀察這種可憐的小昆蟲,得出了生命形態的分節構造這一結論。這種小果蠅雖然叫“蠅”,但其實其英文名稱是 Fruitfly,它喜歡水果或樹汁,體長3毫米左右。我們可以在試管中培育它,其生命周期也很短(從卵到孵化出來需要一天,幼蟲期是三天,蛹期是五天)。很久以前起,它就作為一種實驗動物,在遺傳學的研究上發揮著重要的作用。

  它產下的卵可以不停地進行分裂,然後逐漸成形。它會成長為一種很小的蛆蟲,等長到蛆蟲這么大的時候,它就有了很完備的分節構造。接下來我們要講的是,它進行細胞分裂,細胞塊是成為幼蟲的前一個階段。

  其細胞塊像橄欖球一樣呈紡錘形,將來哪一端變成果蠅的頭,哪一端變成果蠅的尾,也都是在這個時期決定的。這個時候,會從即將成為果蠅頭部的那一側釋放出一種叫Bicoid(果蠅體內控制頭胸發育的一個關鍵基因)的特別分子,而這種分子就像投入到容器一角的過錳酸鉀一樣,迅速擴散開來。雖然這種分子只是在果蠅生命初始階段的極為短暫的那一瞬間產生的,但是卻能夠大量地擴散,以保證其進行隨機熱運動,實現“平均化”。於是,從果蠅的頭部到尾部,就形成了很漂亮的濃度分配。

  對於接觸到Bicoid的細胞,它會發出一種分化命令。這實在是讓人覺得不可思議,但是,在細胞一側應該存在有感受Bicoid的階段性的閾值吧。它們根據各階段上的反應來進行分化。這樣一來,蛆蟲就有了分節構造了。

  另外,從這個橄欖球一樣的細胞塊的背部來看,濃度擴散不僅僅發生在縱向上,在橫向上分布得也很均勻。這樣,就形成了分化的左右對稱性。

  看到這種現象,通常我們會認為,生命出現一定形態的根據在於,分子的擴散所帶來的濃度分配以及空間的擴大等一些物理學上的結構變化。

  這絕不是由於隨機實驗或環境變化所產生的選擇。隨機運動其實指的是那個時候原子或分子的運動過程中如何形成一定秩序的問題。以此為大前提,薛定諤認為,生物體必須是一種遠遠大於原子的存在。

  動態秩序是生命的保證

  但是,這僅僅是問題本質的前提。生命並不僅僅是在物理學的結構裏通過熱運動提高自身溫度,而是通過熱運動形成一種複雜的秩序。這種秩序呈現出來的狀態將沙灘上的小貝殼與小沙石區別開來。另外,如果一個貝是有生命的,那么隨著它的成長,貝殼上的花紋也隨之擴大,說明這種秩序是動態的。

  當然了,薛定諤也認識到了這一點。在擴散過程中,產生了濃度不均的情況,但是不久之後就一致了。在這一過程中,不僅僅是濃度的分布,還有溫度的分布,能量的分布,或者被稱為化學潛在8 性的反應性的傾向,所有這些分布上的差別都會迅速被消除,得到平均化。物理學家們把這一現象稱為熱力學的平衡狀態,或最大熵狀態。處於這個狀態的系統是死的。物理學家們經常把他們所研究的這個世界稱為“系統”。

  熵是表現雜亂狀態的尺度。所有物理學上的過程都是通過物質的擴散,朝著熵最大的方向運動,從而達到均一的隨機狀態,這就是所謂的熵增大法則。不過,生物可以避免自己由於不能運動而陷入到“平衡狀態”中。當然了,生物也會死去,這就是生命這個系統的死亡,是最大熵狀態。但是,通常情況下,生物,尤其是人,要達到最大熵狀態,需要幾十年的時間,這個過程遠遠比無生命的反應系統達到最大熵狀態的過程要漫長。在這期間,生命可以成長,可以進行自我複制,可以從傷害以及疾病中得到恢複,然後繼續成長。

  也就是說,生命是這樣一種東西:現存秩序有能夠維持其自身秩序的能力,並且還具有產生新的具有某種秩序的能力。那么,這一過程是如何實現的呢?關於這個問題,薛定諤並沒有給出具體的說明,但是,他做了如下預言:

  生命中肯定還存在迄今為止我們所不知道的統計學法則以外的其他原理。這種構造,並不是生命力這種非物理學上的超自然的構造。這是一種完全未被我們所認識的新構造,但是也應該遵循著物理學上的原理。也許這就跟只懂得蒸汽裝置的技師才能發明電氣發動機一樣。技師把開關按下去,發動機就開始工作了,但是他並沒有因此就認為是幽靈等東西在驅使它工作。技師把發動機分解開來進行研究,發現裏面有很長的銅線成線圈狀卷在一起,通過其旋轉,就能跟蒸汽裝置一樣,產生運動所需要的能量了。也就是說,發動機本身是未被我們認知的,但是所使用的原理應該是我們已經掌握的原理,現在我們需要做的,就是對其進行分析。技師應該是這么想的吧。

  與此同時,薛定諤還提出來另外一個概念--負熵。所謂負熵,就是指生命違背熵增大法則來構造秩序的一種方式。如果說熵是隨機的尺度的話,那么負熵就是逆隨機,即“秩序”。

  活著的生命一直都在不停地進行著熵增大。也就是說,一直都在靠近意味著死亡的這種熵最大的危險狀態。為了不使生命陷入到這一狀態中來,也即能繼續生存下去,唯一的辦法就是從周圍環境中獲取負熵--秩序。事實上,生命總是通過“吃”負熵這種方式來維持自己的生存的。薛定諤曾經作過這么一個比喻,但它不只是一個比喻。

  事實上,高等動物的食物本身都有著相當高的秩序,這一點我們都知道。薛定諤認為,那些物質--或多或少包含著複雜結構的有機化合物、秩序井然的物質--作為高等動物的食物,起著相當大的作用。在這裏,薛定諤犯了一個錯誤,他的這種想法實在是太天真了。事實上,那些食物一旦被動物所利用,其秩序就不會那么高了。

  因為,生命並不是將食物中所含的有機高分子的秩序作為負熵的源泉的。在生命體的食物消化過程中,無論是蛋白質也好,碳水化合物也好,這些本來應該被包含在有機高分子裏的秩序,都通通被分解掉了,裏面含有的信息也一邊被隨意地拋棄,一邊被漫不經8 心地吸收。至於原因,就在於秩序是別的生物的信息,對於生命體本身來說,就不是這樣了。

  雖說如此,薛定諤的思想裏面,關於通過吃負熵來對抗熵增大這一部分,雖然還僅僅只停留在他的思想層面上,但這一觀點的的確確是正確的。為了弄清楚這一觀點的內涵,我們又不得不提到和薛定諤同時代的另外一個孤獨的已經不在人世的天才--舍恩海默。

【書籍目錄】
第1頁:作者簡介 第2頁:內容簡介
第3頁:目錄 第4頁:序言 生命的鑰匙藏在哪裏?
第5頁:紐約,紐克大道,66街 第6頁:鮮為人知的英雄
第7頁:四種字母 第8頁:絕處逢生
第9頁:沖浪者拿到了諾貝爾獎 第10頁:世紀大發現的前夜
第11頁:狂熱的追求 第12頁:原子愛運動
第13頁:動態平衡
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第 3 楼
匿名 发表于 2014-9-20 15:40:58
晚上鍛練等於惹病上身 http://tw.gigacircle.com/2264008-1

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第 2 楼
匿名 发表于 2014-9-20 14:42:14
想知道自己有沒有宿便嗎?一分鐘檢查教學!輕鬆防治大腸癌 http://tw.gigacircle.com/2269283-1

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第 1 楼
匿名 发表于 2014-9-20 14:23:41
12種天然防蚊http://tw.gigacircle.com/2265118-1

一根金屬熱湯匙就可止蚊叮癢。
以熱水加熱;不必用煮沸的滾水,從水龍頭流出的熱水即可。
再將加溫的湯匙直接貼著紅腫的「蚊子包」一分鐘,之後搔癢感慢慢消除。
是藉由湯匙的溫度破壞蚊子悄悄注射進人體的蛋白質,這種蛋白質會引起皮膚的過敏反應,造成搔癢感。儘管蚊子叮咬後的紅腫仍會持續,光是「不癢」就讓人感覺得救了。