從虐貓狂人薛定諤名言談起，物理學究竟能不能解釋化學和生物？

導讀

物理學是不是可以解釋所有化學現象？如果是，那物理如何去解釋生物機制？

物理學中的量子力學在化學中有著很好的應用，那麼作為基礎學科的物理學在未來會對生物有什麼影響呢，還是物理根本就不適合解釋生命科學？

一、物理學理論上可以解釋生物化學現象

物理和化學理論原則上可以詮釋生命現象——Erwin Schr?dinger, 1944

生物化學的基礎主要是有機化學，而化學反應的本質是化學鍵的變化。

化學鍵的理論基礎主要建立在近代物理學的量子理論（價鍵理論、分子軌道理論等）和一點相對論（重原子的相對論效應）之上。物理和化學的交叉——物理化學就是在完成這樣的工作，並且也取得了重大成就。

自從物理學家、化學家、語言學家兼皇家首席煙花師Lomonosov在1752年提出物理化學這個概念以來，物理化學從發展初期的表觀熱力學/動力學理論（Arrhenius方程、熱力學第1、2、3、0定律等等）開始，逐步發展到微觀下的RRKM理論（動力學）、Prigogine耗散體系理論與Onsager倒易關係（不可逆過程熱力學/統計物理學）等。此外，也發展了量子化學近似計算程序——Gaussian（Pople等）、交叉分子束方法（李遠哲）、飛秒化學（Zewail）、超分子化學（Lehn等）等等其他微觀-介觀領域。

物理化學的研究方向逐漸從宏觀到微觀、從靜態到動態、從簡單近平衡體系到複雜非平衡體系，當然，也包括生物化學領域。因此還出現了一門新學科——生物物理化學（或者叫理綜（手動滑稽））。

至於（從尿素的人工合成開始的）生(you)物(ji)化學領域，在上世紀就出現了一個堪比科幻小說家Jules Verne的著名物理學家（+理綜全能+預言家+神+。。。虐貓狂人）Erwin Schr?dinger。

你有可能聽說過他本人

他的方程

他的書

但是

你一定聽說過

他的

半死不活不知死活的

主子

（甚至比鏟屎官本人更為出名）

貓

在他的科普性著作What is Life?或《生命是什麼》中，他預測生物體的遺傳因子/基因很可能在某種非周期性固體，也就是後來發現的DNA和RNA。該書中還有形如生命體以負熵為生、突變過程是一種量子躍遷、遺傳的穩定性可以通過量子論解釋、染色體是遺傳的密碼本等等過於超前的觀點。在此書中提出了「物理和化學理論原則上可以詮釋生命現象」這一論斷。

自從Mendel的不會打殭屍的豌豆到Morgan的迴光返照抖擻精神的白眼果蠅以來，生物遺傳學都是通過研究表觀現象而推斷遺傳過程，而對DNA的研究則是從微觀起步，直達本質。但Schr?dinger通過物理學和化學知識，僅僅通過邏輯推理就得到了這麼多具有啟發性的結論，僅憑其超越時代的預言就完全可以認為他應該是生物化學之父，雖然現代生物化學的標誌之一是DNA雙螺旋結構的發現。

不過，當年DNA雙螺旋的發現者之一——Francis Crick在讀完這本書之後，放棄了原本的粒子物理研究，轉向生物領域。當然，他不是一個人。其後，基於他的同事Franklin的研究成果，DNA雙螺旋的發現為他帶來了1953年諾貝爾生理學與醫學獎。此外，後續的若干個諾貝爾獎（生物、物理等）得主均曾經受到書里思想的影響，包括後文中的Prigogine。

此書也被認為是分子生物學的開端。

（BTW，強！烈！建！議！讀一下那本著作，書中探索生命過程的本質的思維和方法論會讓人受益終生。）

（而且不會像某本書一樣

過多地浪費您的時間）

但在寫出這本分子生物學的

《湯姆叔叔的小屋》以外

我們的神——Schr?dinger

還是

波動力學之父

量子力學奠基人

並發展了原子理論

還順手命名了一個

Schr?dinger方程

在此之後，所有的量子化學家都指著近似求這個方程根本解不出來的解來混飯吃。

而我們苦逼學生只是知道

不（能）自（學）量（子）力（學）

我把你關在教室里考量子力學，你可能會死，或者活著。但這一切，將在我判你卷子的時候揭曉。——Teacher Schr?dinger

二、實際上並不可行

上面的內容已經可以說明，物理學理論是可以解釋生物化學現象的，而且很有效。但是想必題目的本意不僅僅停留在簡單的解釋，而是更加強調計算和精準的預測方面。

可惜，在現有和一段時間以內的科學技術水平下，（幾乎）不可能。

原因很簡單。

首先，所有生化和化學領域的基礎——化學鍵理論中，有一個叫不確定性關係/測不準原理的理論。而且，即使是在經典力學中，三體問題就已經沒有解析解，也即無法通過公式來準確計算三體的精確運動軌跡。考慮到化學反應體系都是以mol計量，而Avogadro常數，精確計算甚至是比較近似的計算都是很難的。

例如，研究冰結晶的動力學過程，即使在計算機的輔助下，大概也只能模擬~個水分子在極短時間內的運動，而且還是近似計算，為此人們還想了很多辦法來減少計算複雜度（參見2013年諾貝爾化學獎——多尺度模型）。而對於研究酶催化反應的分子動力學方法，即使是單個蛋白質分子，每次模擬的時間長度大概在ps~ns量級（遠遠達不到1 s）。而這種微小的工作都已經需要超級計算機連續運算數小時至數天。

」水立方「的分子動力學計算，

左圖12426原子/4142個水分子，

右圖25095原子/8365個水分子，

via MOPAC 2012 - PM7+mozyme

DNA片段-苯並芘複合物的優化結構，

196原子，方法同上

而生物體的壽命普遍較長（其中——），其間的生物化學過程就很難預測了，這也是醫學領域仍然難以精確地設計靶向藥物，而仍主要是通過以天然產物為先導化合物，高通量測試篩選天然產物衍生物的原因之一。

當然，由於計算能力日益提升，計算機輔助藥物設計(CADD)領域也湧現了很多成果，並且也開發了完全按照受體位點的結構而設計的小分子藥物。這是後話。

然後，根據Prigogine的耗散結構理論，生物化學過程，以及部分化學反應體系（碘鍾反應、B-Z反應等）都是一種非線性系統，傳統的近平衡態熱力學理論將不再適用，取而代之的是基於漲落和突變的非平衡態熱力學。在非線性系統中，常常伴隨著自組織化和有序性。

以上均為溴酸鉀-丙二酸-Ce(IV)-Fe(II)/phen體系的B-Z反應現象

B-Z反應體系的Red-Ox電勢隨時間的變化曲線

例如，生態系統和生物體的高度有序性和自組織化（分別對應生物進化和生長發育）看起來並不符合熱力學第二定律——混亂度不可逆增加，但由於擴散過程的不均勻性以及突變的存在，熵在生物體的生長曆程中並不是單調而均勻地增加，甚至可以在部分區域內減少，也即局部遠離平衡態。作為補償，會在其他地方增加更多的熵或直接輸入負熵流/輸出熵流，使總體結果符合該定律。

作為開放系統，生物體會通過新陳代謝來攝入負熵（食物等），並排出體內過多的混亂度（排泄物等等），因此產生了自組織化的結果——有序性（生長發育）。當然，這種能力會隨著時間流逝而減退，或者稱為衰老。最終，熵的流入速度越來越快而遠大於熵的流出，此時這個體系就會很快達到平衡——死亡。

某種程度上可以說，生命體以負熵為生。

（請注意，負熵的單位不是s而是J/K，而且還是負值，所以。。。。-1 J/K）

在非線性系統中，如果在初始條件下引入微擾，甚至只是體系的微小突變，在後續的漲落-突變歷程中，初始條件的微小差距會被多次放大，最終使結果遠遠偏離預測值。這就是所謂的混沌。

例如，Lorenz方程只是個普通的常微分方程，用於描述空氣流體的運動：

下面是它的解（非線性），以及在微擾下的混沌。其曲線隨機地在兩個吸引子/亞穩態之間跳來跳去，並且通過微調初始值就可以明顯地影響解的結構。

這是第一個在確定的方程中出現非周期性的混沌現象的例子。而且其曲線為蝴蝶形，所以混沌有了一個別稱——蝴蝶效應。

此外，生物體受到輻射等刺激後，部分DNA會發生突變而可能轉化為癌細胞。當然，生物的細胞凋亡機制可以清除大多數bug，但如果突變數目過多，癌細胞可能就會不可逆地增殖，最終使生物體劇烈熵增而平衡(dead)，這也是晚期癌症幾乎無法治癒的原因之一。

而在這個過程中，系統是不穩定的，擴散和突變過程是很重要的影響因素。類似地，癌細胞的大範圍轉移也是癌症複發和死亡的主要原因。但是，人們無法精確計算或預測突變的閾值，其影響也暫時無法準確估計。目前並沒有一個公式以至定性規律來準確預測死亡率和設計治療方案，只能通過表觀的統計方法來總結。

由上面的例子可以得出，試圖通過推導或總結公式來進行計算或預測幾乎都是無法實現的，因為推導公式本身已經十分困難，且即使得出了公式，不是計算量過大，就是公式的解本身就不穩定，並沒有太大價值。

三、總結

綜上所述，物理學雖然理論上可以預測一切生物和化學過程，但是由於計算複雜度和微擾所帶來的混沌的存在，實際上並不可行。

所以，尋找一种放之四海而皆準的原理並不是做不到，而是效率太低。所以這也是各個分支學科獨立存在的意義。

具體問題具體分析，more is different。

一點微小的感想

縱觀科學的發展歷程，人類認識世界的過程大抵都是從表面開始，然後一步步曲折地向著本質前進。而作為自然科學的理論基礎之一的數學和物理學，其研究的進步無疑可以極大地促進相關科學領域的發展。當時人類為了驅散那兩片烏雲，進而發現了近代物理研究的基石——相對論和量子力學，而這促進了近代化學、生物和醫學的發展。當然，現代科技發展也是相互促進的。

在現代科學快速發展的基礎上，才有了工業領域的極大進步，而在此之上的互聯網領域和跨國貿易也促進了經濟水平提升和全球化進程。

不要說什麼「發射飛船的錢為什麼不用來投資經濟」，當然合理利用有限的經費是有必要的。要是沒有光電效應的發現，從CPU到互聯網就無從談起，更不會有天天玩手機打遊戲逛淘寶還在吐槽科學無用的你。

科學技術是第一生產力，但短視的人只看見眼前的money。

參考文獻：

https://en.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dinger

https://en.wikipedia.org/wiki/What_Is_Life%3F

https://en.wikipedia.org/wiki/Ilya_Prigogine

https://en.wikipedia.org/wiki/Non-equilibrium_thermodynamics

https://en.wikipedia.org/wiki/Belousov%E2%80%93Zhabotinsky_reaction

https://en.wikipedia.org/wiki/Lorenz_system

https://en.wikipedia.org/wiki/Complex_systems

https://en.wikipedia.org/wiki/Computational_chemistry

https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_mechanics

https://en.wikipedia.org/wiki/Drug_design

http://www.nature.com/nchem/journal/v8/n6/full/nchem.2479.html

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