科学与诗意_参考网

科学与诗意

2017-08-11袁越

三联生活周刊 2017年32期

袁越

科学和诗意究竟如何才能完美结合？本书给我们提供了一个很好的案例。

生命是信息的载体

文理之争是当代人永恒的话题，文科生和理科生似乎是水火不相容的两个群体，谁也不服谁。日本生物学家福冈伸一教授试图在两者之间架起一座桥梁，于2016年在日本出版了一本探索生命奥秘的科普书《生物与非生物之间》，用类似散文的写作方式探讨了生命的本质。南海出版公司于2017年将本书引入中国，中文版封面上印着一行醒目的广告语：科学与诗意的完美结合。

说到科学，福冈伸一教授在科研领域的个人履历是无可挑剔的。他1959年出生于东京，毕业于京都大学，之后去美国留学，曾经在著名的洛克菲勒大学和哈佛大学医学院做过研究。学成回国后他担任过京都大学副教授一职，现为日本青山学院大学分子生物学教授。

说到诗意，福冈教授在文学方面的成就也可圈可点。他从小就喜欢写作，科研之余写过好几本科普书，曾因一本论述疯牛病的书《可以放心吃牛肉了吗？》获得了日本科学新闻工作者奖。这本《生物与非生物之间》探讨的是远比疯牛病更加宏大的主题，那就是我们应该如何区分生物与非生物，或者换个更诗意的问法：生命的本质到底是什么？

福冈在这本书的开篇便向读者展示了自己文艺的一面，他通过对家乡多摩川附近的一条小河的细致描述，提出了一个很有意思的问题：我们是如何能在一瞬间就判断出眼前的东西是生物还是非生物的呢？人类似乎天生就具备了这个能力，我们去海边走走，看到沙滩上的小石子和小贝壳，虽然它们的质地和颜色非常相似，但我们还是能很清楚地辨别出前者只是石头，后者才是生命活动的产物。

如果你在生物课上提出这个问题，老师一定会依次列出生物的解剖学和生理学特征作为解答，比如生物大都由细胞组成，有DNA或者RNA，能够通过呼吸产生能量等等。但福冈显然不能满足于如此刻板的解释，他想找出生命最本质的特征，他相信这个特征一定是充满诗意的。

古人很早就对这个问题产生了兴趣，但经过一番冥思苦想却还是找不到答案，只好将这个问题托付给万能的神，宗教由此产生。还有一些古代文明另辟蹊径，认为生命既没有开始也没有结束，而是不断地重复自己，周而复始永不停歇。

英国分子生物学家威尔金斯。他在伦敦大学国王学院期间解开了DNA分子结构而获得1962年的诺贝尔生理学或医学奖

这两种世界观统治了人类很多年，我们的祖先用各种文字写下了无数诗篇，赞美万能的上帝和生命的轮回。但最终我们还是意识到这个问题需要由科学来做出解答，而最早试图解答这个问题的人就是大名鼎鼎的埃尔温·薛定谔（Erwin Schrodinger）。这位奥地利物理学家原本是以量子力学而成名，早在1926年他38岁时就提出了著名的“薛定谔方程”，并因此而被公认为是和爱因斯坦齐名的天才。如今量子力学已经成为全世界神秘现象爱好者们共同的精神图腾，无数人将其视为诗意的灵感来源，但当年的薛定谔却对量子理论的不确定性和不连续性等概念产生了强烈的怀疑，著名的悖论“薛定谔的猫”就是针对量子理论的这种玄学倾向而提出來的反命题。

离开量子力学之后，薛定谔隐居爱尔兰首府都柏林，潜心研究生命的本质。1943年他在著名的三一学院举办了一系列讲座，向公众阐述自己的理论。第二年他又将讲稿写成书出版，书名就叫《生命是什么？》。正是在这本书中，薛定谔提出了两个非常重要的问题。第一个问题是关于生命的遗传属性，从某种意义上讲，古人所观察到的轮回现象，本质上就是生物遗传性的具体体现，所谓“种瓜得瓜，种豆得豆”是也。薛定谔把物理学的一些基本原理应用到了遗传学领域，提出了一个著名的预言，即遗传物质一定是一种非周期性的晶体。最终他的预言在1953年被沃森和克里克证实了，他俩发现DNA确实是一种非周期性晶体，并由此而构建出了DNA的双螺旋结构模型，很好地解释了遗传的原理。

如今DNA已经成为家喻户晓的缩略词，不用再解释了，但DNA发现过程的具体细节知道的人并不多。事实上，沃森和克里克的发现只是在前人所做的一系列实验的基础上得出的必然推论，整条逻辑链相当完整，其推理过程也很精彩。福冈从一个科研工作者的角度详细描述了这个过程，为读者还原了DNA发现史，并详细解释了一个有机大分子究竟是如何传递信息的。如果你不了解其中的细节，只听说过DNA这个名字，那你就会错过人类历史上最精彩的一段传奇故事，无法体会出这个故事里所蕴含的无限诗意。

DNA的秘密被发现后，很多人认为生命的本质就是遗传，生命只是信息的载体而已。但是，这个理论在解释病毒时出了点小麻烦。病毒虽然能够传递信息，但却必须依靠其他生命才能实现这个目标，纯粹的病毒本身就是一个普通的晶体，和其他无机晶体一模一样，看不出任何生命的迹象，所以科学家们一直对病毒到底算不算生命这个问题争论不休，谁也说服不了谁。

福冈认为，仅用信息载体作为生命的定义是不够的，还要有点别的东西，这就涉及了薛定谔当年提出的第二个问题。

生命是动态的平衡

薛定谔提出的第二个重要问题相当耐人寻味：为什么原子那么小？这个问题也许应该反过来问：为什么我们的身体那么大？为什么生命的尺度比原子尺度要大得多？

这个问题看似无厘头，其实有着深刻的含义。福冈教授认为，我们之所以能够很容易地分辨出沙滩上的石子和贝壳，就是因为贝壳展现出一种只有生命才会有的秩序。秩序，就是生命的另一个必要条件，甚至比信息载体更能反映生命的本质。

从分子的角度讲，所谓“秩序”就是分子克服“平均趋势”的集体行为。如果你在一杯水中滴入一滴墨水，不久之后整杯水都会被染成了平均的颜色，这就是分子的“平均趋势”，导致这一趋势的根本原因就是无所不在的布朗运动。但是，所有这些墨水分子当中一定会有极少数不遵循这个法则，做出“非常规”的动作。物理学证明，这些分子遵循的是所谓的“平方根法则”，即如果一个杯子里总共有100个分子，那么其中会有100的平方根，即10个分子“不听话”。

在这个例子中，不听话的分子占分子总数的10%，比例相当高了。如果生命体仅仅由100个分子组成，那它是很难维持秩序的。但是，如果一个杯子中总共有100万个分子，那么不听话的分子便只有100万的平方根，即1000个，占分子总数的0.1%，比例就小多了。换句话说，一个东西所含的分子总数越大，不守规矩的分子数量所占比例就越低。如果秩序的确是生命的一个核心特征的话，那么生命体必须足够大，才能保证这个秩序不会被破坏。

基于这个假设，薛定谔提出了著名的“负熵理论”。熵是热力学概念，用来衡量一个系统的混乱程度。根据热力学第二定律，任何封闭系统的熵一定是增加的，即随着时间的流逝，这个系统一定会趋向彻底的混乱，最终达到热力学上的“死寂”状态。但是，生命体是高度有序的，和“死寂”状态正相反。一个生命要想维持这种状态（即活着），就必须克服这一内在趋势。而在薛定谔看来，这就意味着生命必须时时刻刻从外部环境中摄取负熵，这就是生命必须经常进食的原因。

在福冈看来，薛定谔的这个负熵理论是正确的，但他的推论却是错误的。生命从环境中摄取的食物，无论是碳水化合物还是蛋白质，最终都会被生命所分解，变成废物，生命并不会将食物中的有机分子的“秩序”作为负熵的源泉，因为蕴藏在食物中的“秩序”是其他生物的信息，对摄食者来说，这些信息无异于噪声，是没有任何用处的。

也就是说，生命需要进食的原因不是从食物中摄取负熵，而是另有所图。

接下来，福冈引出了本书的第二个关键人物，德裔美国科学家鲁道夫·舍恩海默（Rudolph Schoenheimer）。在福冈的笔下，这位舍恩海默博士是一个不出世的奇才，当年正是他第一个用微观思维证明了宏观现象，并在20世纪30年代后期树立了一种全新的生命观。人类和这种生命观打交道的时间不过70年左右，至今仍然没能透彻理解恩舍海默所做出的重大发现的真正含义。

读到这里，读者肯定会对这位恩舍海默先生感到好奇，他是谁？做了什么？为什么知名度如此之低？维基百科上关于他的词条只有寥寥数笔，只是说他是全世界第一个采用同位素示踪技术研究新陈代谢的人，可惜因为抑郁症，在1941年的9月11日这天自杀了，享年43岁。

同位素示踪技术如今已经成为生物学研究领域的常规技术，但在20世纪30年代确实可以称得上是一项革命性的新发现，因为这项技术第一次让科学家能够分辨出组成生命个体的每一个原子，并跟踪它们的活动路径。

舍恩海默最先掌握的是氮同位素示踪技术，组成蛋白质的20种氨基酸的每一种都含有氮元素，因此这个方法可以用于研究蛋白质的代谢途径。研究人员曾经用含有氮同位素的饲料喂养小鼠3天，这期间收集所有的小鼠排泄物，发现只有30%的氮同位素被排了出来，剩下的都留在了小鼠体内。进一步研究发现，超过一半的氮同位素都被小鼠吸收，变成了小鼠自身的蛋白质，广泛分布于全身各个器官之中。换句话说，组成小鼠身体的蛋白质在短短3天的时间里被替换掉了一半！

顺着这个思路继续推演下去，我们可以得出一个惊人的结论，那就是组成小鼠身体的所有原子在短短的几个星期的时间里就会被全部替换掉，出现在我们面前的是一个“全新”的小老鼠！

我們有充分的理由相信，类似的事情发生在几乎所有的生命身上，当然也包括我们人类。我们每天吃下去的食物也有很多变成了我们身体的一部分，用不了多长时间，我们的身体也会被从头到脚地换一遍。事实上，福冈相信，一个人不吃东西光喝水之所以活不了一个星期，并不是因为缺乏能量，而是因为我们的身体没有东西可换了。

舍恩海默的新发现为薛定谔的负熵理论做了很好的补充。薛定谔虽然意识到生命是一种秩序，维持这种秩序需要对抗热力学的熵增原理，但他没有意识到这种对抗不是依靠增强系统的耐久性来实现的，而是正相反，必须让系统处于永远的流动状态。只要生物还活着，体内必然有熵出现，只能依靠“流动”来把新增加的熵排出体外。这是一种动态平衡，生命就是一种处于动态平衡状态的流体。

福冈把这个结论总结成了一句极富诗意的话：要想维持秩序，就需要不断地破坏秩序。

任何人都不难看出这句话中蕴含的哲学意味，但是这句话是否能用在日常生活中呢？真相恐怕并不是那么简单的，因为生活和生命是两种完全不同的东西。

生命是单向的过程吗？

请你把自己想象成一家小公司的老板，为了维持公司的正常运作，需要每位员工都尽职尽责，大家合力组成一个完美的封闭系统。如果某位员工玩忽职守，导致整个系统的平衡被打破，公司运转不灵了，你会怎么办？你会模仿生命的样子，立刻换一位新员工吗？肯定没那么简单，因为你并不肯定新员工能否称职，是否能完美地把出了问题的旧员工替换掉。

生命就没这个问题，因为世界上的每一个原子本质上都是一样的，地球生态系统中的每一类有机分子也是如此，换谁都一样。更重要的是，每一个需要替换的位置都是按照简单的互补原则而事先被规定好了的，这个互补原则我们在DNA分子中见到过，遗传信息就是这么传递下去的。蛋白质也有互补性，无论是组成身体结构的蛋白质还是作为催化酶的蛋白质，所仰仗的都是这种互补性。福冈教授曾经研究过细胞膜的结构和功能，他在这本书中花了很多篇幅讲述了这项研究的细节，为读者解释了生物互补性是如何起作用的，为什么对于细胞膜来说“内部的内部就是外部”，这个看似绕口令的结论哲学色彩浓厚，仔细想来极富诗意。

但是，这个动态平衡的理论并不是生命意义的终结。在本书的最后一章，福冈又为读者描述了一个全新的实验，并得出了一个更加令人震惊的结论。

这个实验用到了大名鼎鼎的“基因敲除”工具，这个工具可以帮助科学家们更好地研究每一个蛋白质的功能。这个工具的道理很简单：如果有人给你一台老式电视机，让你研究一下每一个零件都是干什么用的，你会怎么做？一个简单的思路就是把每一个零件分别从电视机上取下来，看看它对电视机的功能产生了何种影响，这就是“基因敲除”工具的基本原理。

福冈在研究细胞膜的过程中发现了一个神秘的蛋白质，取名GP2，这个蛋白质在细胞膜上随处可见，但它的功能并不十分清楚，于是福冈想办法把这个蛋白质的编码基因从小鼠胚胎的基因组中“敲除”掉，生下来的小鼠体内便找不到GP2蛋白了。他原本以为这样的小鼠肯定活不了，起码也会活得很不舒服，但结果却让他大吃一惊，这种小鼠活得好好的，似乎一点也没有受到影响。

福冈还曾经用类似的方法研究过疯牛病，只不过因为牛的饲养成本太高，他用小鼠来代替。小鼠也会得“疯鼠病”，其致病机理和疯牛病几乎是一样的，都是由于一种朊蛋白（Prion）发生异常病变所引起的。福冈采用基因敲除法培育出朊蛋白基因被敲除的小鼠，结果这种小鼠同样活得好好的，一点也没受影响。

当然了，并不是每一个基因被敲除后小鼠都能健康成长，有很多基因的作用非常关键，一旦被敲除后小鼠胚胎就无法正常发育了，但这个GP2基因和朊蛋白基因似乎是可以被完全敲除的，难道说这两个基因都是多余的吗？

想象一下，如果我们拿掉电视机上的某个零部件，电视机仍然能正常工作，所有功能都不受影响，我们完全可以说这个零部件是没有用的，但我们能否说GP2和朊蛋白也是无用蛋白质呢？福冈认为不能这么类推，因为小鼠是活的。事实上，他认为GP2和朊蛋白都是非常有用的蛋白质，但当它们被敲除后，小鼠立刻启动了应急措施，用另外的蛋白质替代了GP2和朊蛋白的功能，保证小鼠可以继续活下去。

之所以会出现这样的差别，原因就在于生命和电视机完全不同。电视机是死的，属于静态平衡，而生命是活的，一个活的生命永远处于动态平衡之中，而动态平衡和静态平衡的最大不同就是前者的容错能力非常强，GP2和朊蛋白的基因敲除实验就是这种动态平衡的最佳案例。

生命的这种动态平衡和电影《侏罗纪公园》里那句“生命总会找到出路”的名言，有着异曲同工之妙，两者都是为生命谱写的赞美诗。

事情发展到此还远未结束。福冈突发奇想，把一个不完整的朊蛋白基因重新转入到基因敲除小鼠的基因组之中，结果这种小鼠反而得了“疯鼠病”，很快就病发而死了。如果再用电视机做比喻的话，这就相当于你把一个零件拿掉后，发现电视机完全可以正常工作，但如果你把这个零件弄坏了再安装回去，电视机反而不工作了。

这个实验说明，某些基因如果全部缺失了反而没事，但如果只缺一半的话则有害，这是怎么回事呢？

为了解释这个奇怪的现象，福冈引入了时间这个变量。他认为把生命比作电视机本身就是一个天大的错误，基因敲除和拆掉电视机面板上的某个零件也是两码事。生命不光是一个每时每刻都处于动态平衡状态的流体，而且还是一个单向的变化过程，一切变化均按照严格的时间轴来进行，无法逆转。

具体来说，福冈相信生命在每一个阶段都会由事先规定好的一组蛋白质来控制，如果缺了其中的一个，那么生命在那个特定阶段就没办法达到动态平衡了，必须想办法弥补损失，“找到出路”。只有当这个损失被弥补，平衡重新达成之后，生命才会进入下一个阶段，这就是为什么GP2和朊蛋白基因被敲除后小鼠仍然可以存活的原因。但如果我们人为地引入一个坏的基因，生命会误以为平衡已经达到了，于是便按部就班地进入了下一个阶段，结果反而遭了殃。

如果这套理论是对的，那么我们就会很自然地得出一个惊人的结论：人类不可能像操纵机器那样操纵生命。这句话是整本书的最后一句，也是最有诗意的一句话。这句话暗示生命是大自然的奇迹，人类仅仅依靠自己的智慧是无法改变它的。

福冈在得出这个惊人的结论后就草草收尾了，没有继续讨论下去。事实上，这最后一章也是整本书最短的一章，无论是列举的实验证据还是福冈的推理过程都存在不少漏洞，得出的结论并不能自圆其说。比如，福冈并没有解释为什么生命可以通过不断替换新的零部件而维持原有的秩序，因为新部件和旧部件本质上是相同的。再比如，引入了缺陷基因的生命居然会误以为自己达到了平衡，匆匆忙忙地进入了下一个阶段，而且不会再回头，这个推理过程也显得过于草率了，得出的结论并不能让人信服。事实上，人工诱导干细胞技术的发明已经证明生命的时间轴是可以被逆转的，一个已经分化了的细胞完全可以在人为条件的刺激下“回到原初”，重新变成干细胞。这项技术恰好是日本科学家发明的，福冈不可能不知道，但他为了追求自己心目中的无限“诗意”，匆匆忙忙地下了结论，把一本好书毁掉了。

这个案例充分说明，科学和诗意是两个完全不同的价值体系，前者建立在严格的科学实验和缜密的逻辑推理之上，不可能像写诗那样天马行空，不可能保证每一个结论都富有诗意。如果硬要把两者扯在一起，结果不一定很美妙。但是，科学和诗意也并不会因此而变成一对矛盾，因为严格的科学实验和缜密的逻辑推理本身也可以是极富诗意的，只有当我们学会了欣赏这种惊心动魄的美，科学和诗意才能完美地结合在一起。这就好比说，一个人既可以被眼前的湖光山色感动得吟诗作画，也可以被地球生态系统的复杂关系感动得写一篇论文，两者都是在赞美大自然，两部作品都饱含无限的诗意。