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薛丁格生命物理學講義:生命是什麼?

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What is Life? with Mind and Matter and Autobiographical Sketches

 

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物理學大師薛丁格辭世五十五周年紀念,貓頭鷹出版社二十五周年巨獻
台大生化所楊啟伸副教授特別撰寫二○一六全新導讀
中華民國物理學會最佳百本物理科普書

《薛丁格物理學講義:生命是什麼?》:負熵概念的提出

本書發表年代距今已超過五十年,當年薛丁格雖精準預測遺傳分子的運作過程,但仍因為現代科學的進展而有一些疏漏,沒想到這本為非專家所寫的書,最後卻成為發現DNA結構、並導致分子生物學誕生的關鍵著作。這本《薛丁格物理學講義:生命是什麼?》實在有遺傳研究上舉足輕重的地位。

生命是什麼?

國立台灣大學生化科技學系副教授/楊啟伸

如果你現在拿起此書,想著這本「生命是什麼?」到底會講些什麼?能給我啓發什麼?那這篇導讀,就是要你在幾分鐘之內,知道這本書的內容精髓。於是,不論你最終是否決定擁有這本書,你都會像是已經擁有「它」,或至少認識了「它」。

因此,對於生命體,在第一章,針對「化學」觀點方面,薛丁格首先認為,生命,仍是以原子為基礎組成,有排列次序的巨大有機體,而這有機體的運作規則和描述,可用組成原子接近統計的整體行為來看。

生命為何要先組合成巨大有機體,小原子或分子當生命有何不可?薛丁格認為,因為物體要大到一定程度,才能有精確的行為。小分子的運動,除了自己的動能外,還有環境的隨機力量推著,如布朗運動和擴散。如果生命不是大到可使其他運動力量足以被忽略的程度,那麼,當我問你要去哪裡時,你可能會跟我說:「我會試著去對街的超商,但我不確定我能不能走到!因為其他力量也會參與影響我往那個方向走。我可能被『推』或『擴散』到光華商場去!」。

薛丁格更進一步,對大有機體的集體行為和統計的關係,說明對「集體數目」開根號的值,就是和環境交互作用準確性「誤差值」的估計:大數目之下的誤差反而小。以量子力學的觀點換言之,我們必須「不能」長得和小原子一般尺寸,才得以控制巨觀行為。不僅如此,巨大有機體也因能準確控制行為,才能從事各種原本小分子不能做的事;而且所做的事,不一定和小分子本身有相關。如大腦是由無數原子所組成,但卻不是用來記錄單個原子事件。

作者在建立了生命是由原子尺寸的小分子所結合,成為具有行為準確性的巨大有機體後,想要找說明的例子。他似乎是受原本開布染坊,後來也研究植物的父親影響或啓發,決定用當時以植物為主的遺傳學成果為例,把基因設想為:比原子大,但卻有準確控制行為的作用單位。他準確(或賣弄)地,以人有23對、46個染色體為例,說明人類基因來自父和母減數分裂後,以各23個染色體配對。之後,同一個表現型,是由父與母各自帶著的染色體上,具有顯性或隱性之基因配對後,決定最終是顯性或隱性。他由數學機率和表現型之配合,說明基因運作原則,並提出遺傳分子雖小但穩定,以及其可能的大小尺寸。作者指出當達林頓以染色體上的橫紋(當成是一個基因)和染色體大小相除,得到基因大小是30奈米,並由此推算基因大小只是100~150個原子;雖小,但卻有不可思議的穩定性。

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接著,作者以「突變」這個基因看得見的行為,說明基因的變化是不連續的,且是以在定點為單位地發生。作者為何要提基因運作、突變這些事呢?其實這是先設好舞台,為了要說明二件事:基因尺寸小而穩定,以及古典物理無法說明基因這種小尺寸分子穩定的原因,但量子力學可以!因為量子力學有能階(離散,非連續)的概念,可以能階差和溫度會影響穩定性兩個概念解釋基因特性。但作者也迅速地以生命化學分子有同分異構物,以及能階間的轉換有時不只需要熱能,也要能越過比變化前後兩態能量都要高的活化能門檻(或閾值)這二個觀念,做為二個修正之後,才能明確說明生命分子的穩定性(如基因突變後,仍然是穩定的)。換言之,不會隨便出門曬曬太陽,我們就變了模樣!

猶有進者,作者對生命如何維持運作秩序、逃避直接衰退,提出了頗具爭議的「負熵」概念。大致上,熵可以用「多麼不能作功的程度」的方式來瞭解;熵越大,這個狀態越不能做功。也因此,生命結束時的熵是甚大的!熵之計算,是若吾人在絕對溫度T 提供熱量Q(卡路里)來把一個狀態改變到另一個狀態時,此時的Q/T值;所以單位是 cal/度。作者解釋,生物是用吃、喝和呼吸當材料進行新陳代謝,以獲得「負熵」!但如何得到數學式上的負值呢?若對大於0,小於1的值取對數,會得到負值;於是如果用D代表一個系統是「多麼沒有秩序」的數值,那麼,D的倒數, 1/D,就是「多麼有秩序」的程度。於是負熵,就以 k log(1/D) 來代表。其中 k 是波茲曼常數 3.2983×10-24 cal/oC。

最後,作者以產生有序的兩種方式來說明他的內心 OS:一個是統計型機制,用以描述由「無序產生有序」;另一種是動力型機制,用以描述「由有序產生有序」。前者為一般物理學家經常研究的;後者則較接近生命運作的實況。但兩者是一體兩面,互不衝突。事實上由研究生命的有機機械結構如何運作時,會產生新的物理原理,研究和解釋這些新的物理原理,終究能以統計型所得到的原則來解釋。

最新的生命科學上,已把蛋白質的結構以原子解析度解出,並用其來解釋本書所描述的所有生命現象。作者出版此文,是1944年。有趣的,是該年同時也是學者第一次證明和發表DNA這個分子是引起肺炎球菌轉變的原因!另外,大分子具有粒子和波的雙重性,也在近年被發表。大分子具有波的性質,代表同一個時間,大分子可以在一個或一個以上的地方被發現(有干涉和繞射的現象)。

本書作者本身,和書中所提的一些科學家的先見,完全令人讚嘆!以今日生命科學和物理、化學來評斷書中內容的對錯,固有其意義,但若以「參話頭」的精神來看這本小而影響深遠的鉅作,吾人體受到的,是融合兩個或兩個以上的學科,細思其共同性的領悟模式,是從事科學研究和學習,永久都不會過時的模式。如果你決定閱讀這本書,請細細去品味薛丁格的熱情、用心、和試圖融會貫通的美麗心靈。是的,it’s a beauty!

本文由貓頭鷹出版社授權推薦

購書資訊:http://www.books.com.tw/products/0010708022

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