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物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？

直到著名的麦克斯韦妖（Maxwell's demon）出现之前 ， 信息和物理之间的联系一直不甚明确 。 而如今 ， 信息正在成为连接物理学和生物学的一个关键概念 。 许多物理学家主张将信息放在物理学的核心位置 ， 而另一些物理学家则猜测：新物理学潜藏在生物体的世界中 。 生物学正在成为物理学的下一个伟大前沿 。
作者保罗·戴维斯（Paul Davies）是美国亚利桑那州立大学物理系教授 ， 也是该校科学基础概念Beyond Center主任 。 他长期从事科普工作 ， 著有《生命与新物理学》、《上帝与新物理学》等科普书籍 。
撰文 | Paul Davies
译者 | 乌鸦少年编辑 | 邓一雪
来源：集智俱乐部
物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？
对物理学家来说 ， 生命太神奇 ， 恰似变幻莫测的魔术 。 生物体取得的成就是如此耀眼 ， 如此神秘 ， 以至于人们很容易忘记：它们是由一个个普通的原子组成的 。 然而 ， 如果生命的奥秘不在于构成生物体的材料 ， 那又是什么呢？是什么赋予了生物体独一无二的生命力 ， 使它们如此非凡而特别？这是薛定谔（Erwin Schr?dinger）1943年在爱尔兰都柏林的一系列著名演讲中提出的问题 ， 并于次年出版了一本颇具影响力的书——What Is Life? （《生命是什么？》）[1] 。
众所周知 ， 薛定谔是理论物理学的巨人 ， 也是量子力学的创建者之一 。 无论是在实际应用还是在准确性方面 ， 量子力学可谓是人类构想的最成功的科学理论 。 例如 ， 当量子力学应用于电磁场时 ， 它能以超过10个有效数字的精度正确预测电子的反常磁矩 。 量子力学几乎一下子就解释了从亚原子粒子到原子、分子 ， 再到恒星这些无生命物质的本质 。 但令人沮丧的是 ， 它并没有解释生命物质 。 尽管在之后的几十年里 ， 生物学取得了惊人的进展 ， 但生命仍然是个谜 。 没有人能确切地说明生命是什么 ， 起源于何处[2] 。
物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？
图1：展现群体智慧的蚂蚁 | 来源：Kaitlin M. Baudier, Arizona State University
当被问及物理学能否解释生命时 ， 大多数物理学家会给出肯定回答 。 不过更确切的问题是 ， 已知的物理学是否能解释生命 ， 或者是否需要借助一些全新的理论 。 上世纪30年代 ， 量子力学的许多构建者——包括最著名的玻尔（Niels Bohr）、维格纳（Eugene Wigner）和海森堡（Werner Heisenberg）——都直觉地认为 ， 生命物质的物理学中必然存在一些新的不同的东西 。 薛定谔虽然有些犹疑 ， 但对这种可能性持开放态度 。 他推测说：“人们必须准备好迎接一种新的物理学定律 。 ”[1]至于这种新的定律究竟是何面貌 ， 他没有具体说明 。
这些问题超出了单纯的学术兴趣 。 天体生物学的一个核心目标是寻找地球之外的生命痕迹 ， 但如果对生命没有一个定义 ， 就很难确切知道要寻找什么 。 例如 ， 美国航空航天局（NASA）计划的一项飞行任务是 ， 穿越被认为含有有机分子的土卫二的冰壳层裂缝中喷出的物质羽流 。 是什么会让怀疑者相信这些物质中包含有生命 ， 或者曾经存活过的生物体的碎屑 ， 而不是某种形式的前生命物质？与测量磁场这样的物理量截然不同 ， 科学家缺乏任何一种生命测量仪来量化化学混合物向着已知生命的发展历程——更不用说外星生命了 。
大多数天体生物学家专注于研究我们所知的生命特征 。 例如 ， 上世纪70年代 ， 美国航空航天局的“海盗号“火星探测任务就是利用一种适合地球生物食用的营养液来寻找碳代谢的迹象 。 另一个被广泛讨论的生物特征是单一手征性（homochirality） ， 即只存在对映异构体（enantiomer）中的一种 。 虽然物理学定律在左右反转的情形下是相同的 ， 已知的生物体利用的却是左旋的氨基酸和右旋的糖 。 不过无机土壤化学可以模拟代谢 ， 并且单一手征性可以在没有生命参与的情况下由反复的化学循环产生 ， 所以这种假定的生物特征并不是决定性的 。
在更远的地方 ， 识别生命还会遭遇更加困难的问题 。 天体生物学家寄希望于探测太阳系外行星大气中的氧气 ， 但是 ， 大气中的氧气并非光合作用确凿无疑的标志 ， 因为非生物过程也可以创造含氧的大气 。 我们缺少的是在不依赖于代表具体生命的生物化学底物下作出对生命的通用定义 。 是否存在那么一个深层的普遍原理可以证明可识别的生物特征 ， 甚至对我们不知道的生命也适用呢？
1 两种文化：物理学和生物学
物理学和生物学之间的鸿沟不仅是关于复杂性的问题 ， 而且是在概念框架上存在根本差异 。 物理学家使用能量、熵、分子力和反应速率等概念来研究生命；生物学家则用诸如信号、编码、转录和翻译等术语提供了一种截然不同的叙事 ， 一套信息的语言 。 有这样一个显著例证足以证明上述观点：令人惊叹的新的CRISPR技术 ， 它使得科学家能够编辑生命的密码本 。 蓬勃发展的生物物理学领域试图连接起这个概念的鸿沟 ， 比如通过对各种生物控制网络中的信息流和存储模式进行建模 。


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