跨界視閾下對生命本質(zhì)的追問：薛定諤《生命是什么》的科學(xué)思想與當(dāng)代啟示
張長峰
國家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心 發(fā)育生物學(xué)博士、教授
1944年，量子力學(xué)奠基人之一埃爾溫?薛定諤（1887-1961）出版了《生命是什么？活細(xì)胞的物理觀》（What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell），這本僅百頁的小冊子日后成為了分子生物學(xué)這門連接微觀物理世界與宏觀生命現(xiàn)象的新學(xué)科誕生的重要的思想推手。
讓我們把目光回轉(zhuǎn)到上個(gè)世紀(jì)之初，彼時(shí)的物理學(xué)與生物學(xué)仍是“兩個(gè)隔絕的世界”。物理學(xué)家們還沉浸在剛剛?cè)〉猛黄菩赃M(jìn)展的量子力學(xué)這一理論體系的輝煌中，他們更多地將生物學(xué)視為一種“描述性科學(xué)”，認(rèn)為其缺乏精密的理論框架；而生物學(xué)家則堅(jiān)守“生命特殊性”的認(rèn)知，拒斥用物理規(guī)律的“還原論”來解讀生命現(xiàn)象。薛定諤闖入了這樣一片物理學(xué)與生物學(xué)交叉的“無人區(qū)”，他首次系統(tǒng)性打破20世紀(jì)物理學(xué)與生物學(xué)的學(xué)科隔閡，以“生命以負(fù)熵為生”“遺傳物質(zhì)為非周期性晶體”等觀點(diǎn)為理解生命本質(zhì)提供了全新視角。盡管書中未有精準(zhǔn)預(yù)言DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，部分推測甚至與事實(shí)存在偏差，但其關(guān)于“遺傳物質(zhì)需要具備高信息密度與量子穩(wěn)定性”的方向性判斷，為分子生物學(xué)的誕生埋下了關(guān)鍵伏筆。但這部著作的意義遠(yuǎn)不止于這些具體的科學(xué)貢獻(xiàn)，它更揭示了跨界思維的生命力，即當(dāng)科學(xué)受困學(xué)科壁壘時(shí)，對“本質(zhì)問題”的追問往往能打破邊界，開辟新的認(rèn)知疆域。
一、物理化學(xué)視角的生命追問
作為全書的開篇立論章節(jié)，薛定諤在《生命是什么》第一章“古典物理學(xué)家對這個(gè)主題的探討”中，并未直接展開具體假說，而是直面當(dāng)時(shí)科學(xué)領(lǐng)域最核心的認(rèn)知矛盾：在生命有機(jī)體內(nèi)發(fā)生的時(shí)空事件，能否用已知的物理學(xué)和化學(xué)規(guī)律解釋？這一問題的提出，直接擊穿了物理學(xué)與生物學(xué)之間的學(xué)科壁壘，為全書構(gòu)建了核心探索框架。
（一）學(xué)科割裂下的認(rèn)知困境
20世紀(jì)上半葉，物理學(xué)已通過量子力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)構(gòu)建起微觀世界的理論體系，能夠精準(zhǔn)描述原子能級與分子相互作用；而生物學(xué)仍處于“經(jīng)驗(yàn)積累階段”——孟德爾遺傳定律雖被重新發(fā)現(xiàn)，但基因的物質(zhì)載體未知；達(dá)爾文進(jìn)化論能解釋宏觀演化，卻無法闡明遺傳變異的微觀機(jī)制。這種學(xué)科割裂形成了荒誕的認(rèn)知鴻溝：物理學(xué)家能計(jì)算原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，卻無法解釋細(xì)胞的分裂增殖；生物學(xué)家能觀察遺傳性狀的傳遞，卻不能說明其物理本質(zhì)。
薛定諤尖銳地指出，這種割裂并非自然的本質(zhì)屬性，而是人類認(rèn)知的局限。他在章節(jié)開篇即明確立場：“當(dāng)前物理學(xué)和化學(xué)在解釋生命事件時(shí)的無能為力，絕不能成為懷疑這些事件可被物理化學(xué)規(guī)律解釋的理由?！边@一論斷直接回應(yīng)了當(dāng)時(shí)生物學(xué)家對“物理還原論”的排斥，也糾正了物理學(xué)家將生物學(xué)視為“非精密科學(xué)”的偏見。
（二）生命現(xiàn)象的科學(xué)歸屬
圍繞核心問題，薛定諤進(jìn)一步拆解出兩個(gè)子問題：一是生命有機(jī)體的活動(dòng)是否遵循物理化學(xué)的基本定律？二是若遵循現(xiàn)有定律，為何生命能展現(xiàn)出遠(yuǎn)超無生命物質(zhì)的復(fù)雜性與有序性？
針對第一個(gè)問題，他通過熱力學(xué)與量子力學(xué)的理論推演給出肯定答案：生命有機(jī)體的物質(zhì)組成與無生命物質(zhì)并無本質(zhì)差異，其分子間的相互作用仍遵循化學(xué)鍵理論與能量守恒定律。他特別強(qiáng)調(diào)，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的發(fā)展已為解釋生命這種“多分子系統(tǒng)”的行為提供了工具——不同于宏觀物體的確定性運(yùn)動(dòng)，生命現(xiàn)象的規(guī)律性可能隱藏在大量分子的統(tǒng)計(jì)行為中。
對于第二個(gè)問題，薛定諤并未給出完整答案，而是埋下全書的核心伏筆：生命的特殊性可能源于其“有序性的維持機(jī)制”，這種機(jī)制既不違背物理規(guī)律，又超越了無生命系統(tǒng)的自發(fā)過程。他暗示，解決這一矛盾需要結(jié)合熱力學(xué)熵增定律與量子力學(xué)的穩(wěn)定性原理，這為后續(xù)“負(fù)熵”假說與“非周期性晶體”猜想奠定了邏輯基礎(chǔ)。
薛定諤打破了“生命特殊論”與“物理萬能論”的二元對立，提出了“統(tǒng)一科學(xué)觀”：生命現(xiàn)象不是物理化學(xué)規(guī)律的例外，而是這些規(guī)律在復(fù)雜系統(tǒng)中的高階體現(xiàn)。這種視角既為物理學(xué)家指出了探索生命問題的可行性，也為生物學(xué)家提供了新的研究工具。
二、《生命是什么》的誕生背景與思想源流
（一）跨界思索的緣起
薛定諤對生命問題的關(guān)注并非偶然。青年時(shí)期他便對生物學(xué)有濃厚興趣，而20世紀(jì)30年代德爾布呂克等物理學(xué)家在生物學(xué)領(lǐng)域的初步探索，進(jìn)一步激發(fā)了他的思考。更深刻的動(dòng)因來自他對“科學(xué)統(tǒng)一性”的信仰——受叔本華哲學(xué)影響，他堅(jiān)信“所有科學(xué)分支最終都指向?qū)τ钪姹举|(zhì)的理解”，生命作為宇宙中最復(fù)雜的存在，必然能被物理規(guī)律闡釋。
1938年，因母親的猶太血統(tǒng)，薛定諤面臨納粹德國的迫害，被迫離開奧地利。輾轉(zhuǎn)英國、美國后，他于1939年出任愛爾蘭都柏林高等研究院理論物理研究所所長。這段流亡經(jīng)歷中斷了他的常規(guī)物理研究，卻為跨界思考提供了契機(jī)。他在回憶錄《我的世界觀》（Mein Weltbild）中坦言：“遠(yuǎn)離物理學(xué)的‘前沿競爭’讓我得以沉靜下來，開始深度思考那些更為根本的問題，比如生命與非生命的界限究竟在何處？”
（二）思想的凝結(jié)
1943年2月，在都柏林高等研究院與三一學(xué)院的聯(lián)合贊助下，薛定諤舉辦了為期六周的公開講座，主題為“生命是什么？活細(xì)胞的物理觀”。據(jù)1943年2月18日《愛爾蘭時(shí)報(bào)》報(bào)道，首場講座吸引了逾500人參與，聽眾包括物理學(xué)家沃爾夫?qū)?泡利、遺傳學(xué)家J.B.S.霍爾丹，以及哲學(xué)、社會(huì)學(xué)領(lǐng)域?qū)W者與普通市民，愛爾蘭總理愛蒙?德?瓦萊拉及其內(nèi)閣成員也出席了講座。
講座中，薛定諤圍繞“生命本質(zhì)” 提出三大核心問題，并初步闡述了關(guān)鍵觀點(diǎn)：以“負(fù)熵”解釋生命的有序性維持，以“非周期性晶體”推測遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以“涌現(xiàn)現(xiàn)象”解讀生命的“目的性”。這些觀點(diǎn)引發(fā)激烈爭議：生物學(xué)家質(zhì)疑“物理規(guī)律無法解釋細(xì)胞自主性”，物理學(xué)家認(rèn)為“量子力學(xué)應(yīng)用于生命是理論濫用”。對此，薛定諤回應(yīng)：“科學(xué)的使命不是固守學(xué)科邊界，而是尋找解釋自然的普遍規(guī)律。若生命違背物理規(guī)律，那才是物理學(xué)的災(zāi)難?！?/span>
1944年，劍橋大學(xué)出版社將講座內(nèi)容整理出版為《生命是什么》，全書共7章約10萬字。1947年再版時(shí)，薛定諤補(bǔ)充《意識(shí)與物質(zhì)》作為附錄，將討論延伸至意識(shí)統(tǒng)一性等哲學(xué)命題，使著作從科學(xué)探索升華為對生命本質(zhì)的全方位追問。
三、《生命是什么》的核心觀點(diǎn)與科學(xué)內(nèi)涵
（一）熱力學(xué)視角下的生命本質(zhì)
熱力學(xué)第二定律指出，孤立系統(tǒng)的熵（無序度）必然自發(fā)增加，最終達(dá)到熱力學(xué)平衡。但生命體始終維持低熵有序狀態(tài)，這一矛盾成為當(dāng)時(shí)科學(xué)的謎題。薛定諤在第六章“有序、無序和熵”中提出“生命以負(fù)熵為生”的核心假說：生命體是開放系統(tǒng)，通過攝取環(huán)境中的“有序能量”（如食物、陽光）排出“無序能量”（如熱量、廢物），實(shí)現(xiàn)自身熵的減少。
他強(qiáng)調(diào)：“能量只是負(fù)熵的載體，生命真正‘渴望’的是有序性。我們吃食物不是為了獲取能量，而是為了利用其高度有序的分子結(jié)構(gòu)對抗自身熵增?！边@一觀點(diǎn)將生命維持的本質(zhì)從“能量獲取”升華為“有序性維系”。近年來多篇熱力學(xué)建模研究已證實(shí)：癌細(xì)胞會(huì)通過增強(qiáng)糖酵解（即瓦伯格效應(yīng)）快速攝取能量，以此維持低熵狀態(tài)支撐無限增殖；而衰老細(xì)胞因線粒體功能衰退，負(fù)熵?cái)z取能力下降，最終導(dǎo)致熵增與功能退化。例如2022年《Research Gate》刊載的論文便指出，癌細(xì)胞的熵產(chǎn)生速率顯著高于正常細(xì)胞，其代謝網(wǎng)絡(luò)正是通過非平衡態(tài)熱力學(xué)維持有序性，印證了薛定諤“生命是與熵增的永恒對抗” 的預(yù)見。
（二）遺傳物質(zhì)的物理本質(zhì)猜想
在第二章“遺傳機(jī)制”中，薛定諤通過X射線衍射數(shù)據(jù)估算：基因直徑約10納米、長度約100納米，如此微小的體積需儲(chǔ)存生命體發(fā)育的全部信息，這要求其具備極高的信息密度?；诖耍岢觥斑z傳物質(zhì)為非周期性晶體”的猜想：非周期性晶體的優(yōu)勢在于原子排列無重復(fù)周期，如同文字序列可通過組合產(chǎn)生無限信息；原子間的化學(xué)鍵抵抗熱運(yùn)動(dòng)干擾，確保遺傳穩(wěn)定性；而罕見的“量子躍遷”可能導(dǎo)致基因突變，解釋了突變的低頻性與隨機(jī)性。1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，證實(shí)了DNA的脫氧核苷酸序列（A-T-C-G）呈非周期性排列，信息密度與薛定諤的計(jì)算吻合。且近年單分子實(shí)驗(yàn)已驗(yàn)證了基因突變的量子機(jī)制，如2014年《自然》的研究便發(fā)現(xiàn)，DNA堿基的互變異構(gòu)體（如烯醇式胸腺嘧啶）可通過量子隧穿效應(yīng)形成，進(jìn)而引發(fā)錯(cuò)配突變，正是“量子躍遷導(dǎo)致突變”的具體體現(xiàn)?？死锟嗽谧詡鳌犊駸岬淖非蟆分刑寡裕骸把Χㄖ@的‘非周期性晶體’概念像一盞明燈，指引我們尋找基因的物理結(jié)構(gòu)。”
（三）“生命的目的性”與意識(shí)問題的哲學(xué)延伸
薛定諤在書中及附錄《意識(shí)與物質(zhì)》中，進(jìn)一步探討了哲學(xué)層面的生命本質(zhì)問題。針對“生命的目的性”，他批判了“活力論”（超自然力量驅(qū)動(dòng)）與“機(jī)械論”（物理化學(xué)簡單疊加），提出“中間道路”：生命的目的性（如胚胎發(fā)育定向性、生物趨利避害）是遺傳信息指導(dǎo)下的“涌現(xiàn)現(xiàn)象”，如同“蟻群復(fù)雜行為源于個(gè)體簡單規(guī)則，而非蟻群意識(shí)”。他以向日葵向光生長為例：“這并非植物‘渴望’陽光，而是基因指導(dǎo)下生長素分布不均導(dǎo)致的定向生長，完全符合物理化學(xué)規(guī)律?！标P(guān)于“意識(shí)的統(tǒng)一性”，他提出“自我之謎”：“為何感知到的世界是整體而非神經(jīng)元信號碎片？”他推測這可能與量子力學(xué)“非局域性”相關(guān)——大腦神經(jīng)元通過量子糾纏形成整體效應(yīng)，整合神經(jīng)信號為統(tǒng)一意識(shí)。這一猜想雖未被證實(shí)，卻啟發(fā)了當(dāng)代“量子意識(shí)理論”。2020年《物理評論快報(bào)》在關(guān)于微管量子特性的研究中報(bào)道，研究者通過低溫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微管蛋白的π電子云可能形成量子疊加態(tài)，這一結(jié)果為量子相干參與神經(jīng)信號整合提供了支持。盡管該實(shí)驗(yàn)未直接證明意識(shí)起源，卻首次在生物系統(tǒng)中觀測到與量子力學(xué)相關(guān)的長程有序現(xiàn)象，為其提供了初步證據(jù)。
（待續(xù)）
作者簡介：張長峰，1976年8月出生，湖北五峰人，土家族；博士、教授、國務(wù)院特殊津貼專家、山東省政府特殊津貼專家；山東省政協(xié)委員、民盟山東省委委員。國家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心（山東省商業(yè)集團(tuán)有限公司）科技研發(fā)部部長、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）主任?？萍疾?、山東省科技廳入庫專家，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“科創(chuàng)中國”果蔬貯藏物流產(chǎn)業(yè)服務(wù)團(tuán)副團(tuán)長，全國物流標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)第三屆冷鏈物流分技術(shù)委員會(huì)副主任委員，山東省人民政協(xié)理論研究會(huì)第四屆理事會(huì)理事。
國家“十二五”以來，連續(xù)承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題8項(xiàng)；作為首位發(fā)明人獲發(fā)明專利15項(xiàng)；以第一或通訊作者發(fā)表SCI和EI收錄文章27篇；制定國家標(biāo)準(zhǔn)12項(xiàng)；出版專著4部；獲教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各1項(xiàng)、省政府科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)等。立足本職工作，50余件建言被全國政協(xié)、中央統(tǒng)戰(zhàn)部、民盟中央和省委辦公廳采納，以及獲得省委省政府主要領(lǐng)導(dǎo)批示。多次獲民盟中央、民盟省委建言獻(xiàn)策突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)； 2024年度山東省政協(xié)“履職優(yōu)秀委員”；2020年獲“省直機(jī)關(guān)最美職工”榮譽(yù)稱號。
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