物理學與進化論的「跨界」

【灼見】

作者：郭建崴

達爾文提出的進化論不僅是生命科學發展的基礎理論，更對現代科學有著深遠的影響。比如，在20世紀中葉前後，不少著名的物理學家就曾經進行過「跨界」探索。

1932年，量子力學的創始人玻爾發表了著名的演說《光和生命》，通過對海森堡提出的測不準原理進行哲學的思考，指出測不準原理應該擴展到對生命現象的認識中，提出要把生物學研究深入到比細胞更深的層次中去。隨後，玻爾和他的學生一道合作探討基因突變機制問題，試圖建立基因的量子力學圖像。

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1933年，玻爾的學生德布呂克參加了在柏林召開的「基礎物理學的未來」討論會。會上，學者們得出三點結論：第一，物理學一段時期以來提不出有意義的研究；第二，生物學中沒有解決的問題為數最多；第三，一些物理學家將進入生物學領域。

德布呂克由此轉向了生物學研究。他和生物學家雷索夫斯基、物理學家齊默合作，在1935年發表了論文《突變和基因結構》，發展了靶學說——基因包含於微觀體積（邊長為10個原子距離的立方體）。

這個學說激發那位以「貓」出名的量子物理學家薛定諤在1943年出版了《生命是什麼——活細胞的物理觀》一書。在這本被稱為「喚起生物學革命的小冊子」中，薛定諤用熱力學和量子力學理論來解釋生命的本質，說明有機體的物質結構、生命活動的維持和延續、生命的遺傳和變異等問題。他認為大分子可作為遺傳信息的負荷者，並提出了遺傳密碼的概念，同時論述了生命的熱力學基礎，提出生命是非平衡開放系統，靠負熵為生的概念。書中談的第三個問題是生命以物理規律為基礎，特別是以量子規律為基礎，認為生命是一種新的物質結構，它的特點之一是有序性。薛定諤的「生命以負熵為生」的討論包含了兩個重要觀點：其一，生命是自組織的低熵狀態；其二，生命是開放系統。

德布呂克和薛定諤用遺傳信息的觀點來研究遺傳學和生物學，開闢了信息學派的先河。這本書中論述的三個觀點後來發展出三個方向：理論分子生物學、耗散結構理論和量子生物學。

而克里克和沃森就是在薛定諤的影響和啟發下，分析了遺傳的主要物質脫氧核糖核酸（DNA）的有關資料，提出了DNA的「雙螺旋結構模型」，徹底解開了生物遺傳的信息之謎。

信息學派的物理學沿著薛定諤開闢的道路繼續探索，直到1969年普里高津（布魯塞爾學派的引領者）提出耗散結構理論，才最終讓物理科學改變了觀念，承認自然界的基本過程是不可逆的、隨機的，承認時間是有方向的，承認非生命系統也有類似生物進化的從混沌到有序的演化行為，這個過程就是信息的進化。耗散結構理論是自組織理論的代表。這一理論認為，複雜的生物系統問題——無論是新陳代謝、個體發育還是種系發育，都有可能利用理論物理學的、數學的方法，從自組織理論的觀點予以解決。

大約與普里高津等一批學者開始發表他們開創性的理論的同時，物理學家霍金等學者以「宇宙大爆炸」理論為基礎，開創了一種新的宇宙學。美國天體物理學家埃里克·蔡森證實，這種新宇宙學是探討宇宙中物質結構進化和地球上生物結構進化之間的連續性的一個領域。

不可逆變化的研究還受到數學領域內新成果的推動，如托姆和齊曼的拓撲學理論，以及洛倫茨的混沌理論等。

當普里高津的布魯塞爾學派開始把他們的不可逆形態變化理論推廣到生物和社會領域時，各種條件都成熟了，學者們開始對從宇宙到文化的所有進化現象作詳盡考察。這種全新的在其包攬無餘的意義上使用的進化論被稱為一般進化論，意指廣義綜合，也被叫作「新的綜合」。

今天，進化論仍在與其他學科的「跨界」中，不斷完善、豐富著。

《光明日報》（ 2016年11月04日 10版）

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