20世纪上半叶的物理学——自身的革命及其对生物学的影响

郭建崴

前文提到，要阐明生命有机体这种有序结构的形成和发展，就必须要研究自组织现象。揭示自组织的奥妙，是历史进入20世纪以后物理学的革命性发展才得以实现的。本文就先将20世纪前半叶物理学的一些最重要成就以及对生物学产生巨大影响的学者及其学说做一简略的回顾。

19世纪与20世纪之交，物理学有了三大新发现：X射线、电子和放射性。

19 0 0 年，德国物理学家普朗克（M a x Planck，1858～1947）为解释物体热辐射规律而提出能量子假说——物质发射或吸收能量时，能量不是连续的，而是一份一份的，只能取某个最小数值的整数倍；这个最小数值称为能量子，辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做普朗克常数，是现代物理学中最重要的物理常数。能量子这一发现把物理学带进了量子世界，对物理学的发展作出了巨大贡献，普朗克因此获得1918年诺贝尔物理学奖，并被尊为量子论的奠基人。

1905年，爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）提出光子假设、成功解释了光电效应（因此获得1921年诺贝尔物理学奖） 。同年他创立了狭义相对论，其中的两条基本原理是：1)相对性原理——不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；2)光速不变原理——不同的惯性参考系中，光在真空中的速度c不变。1915年他又创立了广义相对论。

丹麦物理学家玻尔（NielsHenrik David Bohr，1885～1962），对科学的最伟大贡献是在1913年提出了自己的原子结构假说，成功地解释和预言了氢原子的辐射电磁波谱，为量子力学的发展奠定了基础，从而获得了1922年的诺贝尔物理学奖。

20世纪30年代中期，玻尔和他的学生一道合作探讨基因突变机制问题，试图建立基因的量子力学图象。1932年，玻尔在哥本哈根召开的国际辐射治疗会议上发表了著名的演说——《光和生命》。他通过对海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901～1976）提出的测不准原理进行哲学的思考，指出测不准原理应该扩展到对生命现象的认识中，提出要把生物学研究深入到比细胞更深层次中去。他曾经讨论过生物与热力学关系的问题：“机体中在实际上可以认为是均匀的那种温度，就将热力学的要求归结成了自由能的固定不变或稳步递减。因此，看来可以这样假设：一切永久出现或暂时出现的大分子结构的形成，代表着一些本质上不可逆的过程，这些过程在营养和呼吸所保持的有利条件下增加着机体的稳定性。”

曾以光子散射研究而闻名的德尔布吕克（Max Delbruck，1906～1981）是玻尔的研究生，他听了玻尔的演讲后深受触动。1933年，德尔布吕克又参加了在柏林召开的“基础物理学的未来”讨论会，会上学者们得出结论说：1）物理学一段时期以来提不出有意义的研究；2）生物学中没有解决的问题为数最多；3）一些人将进入生物学。

德尔布吕克转向了生物学研究。他和生物学家雷索夫斯基（Timofeeff-Ressovsky，1900～1981）、物理学家齐默（K.G.Zimmer，1911～1988）合作，在1935年联合发表了论文《突变和基因结构》，发展了靶学说，其要义是X射线像枪弹一样不连续地射到生物体，生物体中对辐射敏感的结构或分子称为靶，靶受射线击中若干次后才发生生物学效应。德尔布吕克等人得到的靶体积是大约10个平均原子距离为边长的一个立方体，也就是说，靶大约包含1000个原子。这个发现激发薛定谔于1943年写就了《生命是什么——活细胞的物理观》一书。

1937年，德尔布吕克来到美国，和意大利来的细菌学家卢里亚（Salvador E. Luria，1912～1991）合作，研究噬菌体。后来赫尔希（Alfred D. Hershey，1908～1997）也加入进来。他们通过噬菌体试验开创了病毒复制机理的研究工作，获得了1969年诺贝尔生理医学奖。

薛定谔（Erwin Schrödinger，1887～1961）是奥地利理论物理学家，波动力学理论的创始人；因发现原子理论的有效新形式，与狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902～1984）共获1933年诺贝尔物理学奖。

薛定谔对科学的理解不仅仅限于物理学，同时也是分子生物学的奠基者。在那本被称为“唤起生物学革命的小册子”——《生命是什么——活细胞的物理观》一书中，他用热力学和量子力学理论来解释生命的本质，说明有机体的物质结构，生命活动的维持和延续、生命的遗传和变异等问题，开拓了研究生命现象的新途径。

薛定谔和“薛定谔的猫”（图片引自互联网）

薛定谔从德尔布吕克的推测——基因包含于微观体积（边长为10个原子距离的立方体）——出发，提出大分子作为一种非周期固体，可作为遗传信息的负荷者。而且他还提出了密码的概念。他说：“可用这种说法来表达我们的假说：我们认为，一个基因——也许是整个染色体纤丝——是一种非周期性的固体。”“像受精卵细胞核这样小的物质颗粒，怎么能包含涉及有机体未来的全部发育的精细的密码正本呢？”为了回答这个问题，他举了一个例子：用5个符号编写长度为25的文字，文字数为525=372，529，029，846，191，405个。所以在一个很小的空间范围内的微型密码就可以包含足够多的信息用以描述十分复杂的内容。

薛定谔书中论述的第二个问题是生命以物理规律为基础，特别是以量子规律为基础，从量子力学的角度论证了基因的持久性和遗传模式的长期稳定性的可能性。认为生命是一种新的物质结构，它的特点之一是有序性。

薛定谔书中谈的第三个问题是生命的热力学基础，提出生命是非平衡开放系统、是自组织的低熵状态；生命靠负熵为生，从环境中抽取“有序”来维持系统的组织。

薛定谔对生命的有序性和以负熵为生的讨论揭示，有机体生长中物质的有序化要求减少熵，因而必须向外散发热量。对于任何一个成熟细胞，为了维持它的生命功能，为了维持它的自组织状态，也必须耗散一定的热功率。这是因为任何不可逆的物理、化学过程每分每秒都在产生熵。

一个系统，只要是孤立的，总要逐渐地趋向平衡，达到熵最大的状态，达到无序性最大的状态，——这就是死亡。

一个活的有机体是如何避免死亡的呢？靠吃喝、呼吸、新陈代谢，那么在我们的食物里究竟有什么样的宝贵东西使我们能够免于死亡呢？薛定谔回答说：“要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境中不断地吸取负熵，……有机体就是赖负熵为生的。或者更确切地说，新陈代谢中本质的东西乃是使有机体成功地消除了当它自身活着时不得不产生的熵。”

德尔布吕克和薛定谔用遗传信息的观点来研究遗传学和生物学，开辟了信息学派的先河。薛定谔《生命是什么》一书中论述的三个观点后来发展为理论生物学的三个方向——理论分子生物学、量子生物学和耗散结构理论。

沃森、克里克和威尔金斯就是在薛定谔的影响和启发下，分析了遗传的主要物质脱氧核糖核酸（DNA）的有关资料，于1953年提出了DNA的“双螺旋结构模型”，标志着对生命现象的研究进入了分子生物学时期。