无论我们认为生命这个东西有多神奇，哪怕就是一个有神论者。只要他是一个现代人，就不能否认生命本身是不能逃脱基本物理学框架的。也就是说，物理是比生物学更底层的科学。不过呀，生命这个东西又和我们熟知的太阳啊，黑洞啊、星云似乎完全不一样。那么，在一个理论物理学家的眼中，生命的本质又是什么呢？今天想要和你聊的内容来自于一本书，书名就叫《生命是什么》。这本书是薛定谔写的一本经典生命科普著作。很多人了解薛定谔，都是基于量子力学这个范畴啊。他提出的著名的思想实验，薛定谔的猫，在今天呢，更是几乎成了量子力学的代名词。不过呀，你可能不知道，薛定谔还在生物学领域有着非常重要的贡献，他除了是著名的量子理学家，也是今天的前沿学科，也就是分子生物学的奠基人。并且他对于生物学的思考主要就集中体现在这本薄薄的小书里面。在这本书里，薛定谔围绕着生命是什么这个主题啊，主要探讨了三个问题。
第一个问题是生命靠什么来繁衍和遗传？正是他预测生命是通过基因把遗传信息传递给后代的，而基因的本质上是一种非周期性晶体。这个东西是什么？咱们后边儿再来说说啊。第二个问题是生命靠什么来不断的进化？薛定谔认为啊，正是恰到好处的量子跃迁才能导致基因突变，让生命的进化成为可能。而这里的量子跃迁正是连接量子力学和生命科学之间的纽带。第三个问题是生命靠什么来维持运转？薛定谔提出生命是以负熵为生，靠不断从外界吸收秩序来维持自身的运转。接下来咱们就展开来说说这三个问题。首先，繁衍和遗传是生命存续的基础。如果我们想去了解生命的本质是什么，它就是一个绕不开的话题。那咱们就先来聊聊生命靠什么来繁衍和遗传。薛定谔认为，生命用来繁衍遗传的物质，也就是所谓的基因，肯定是一种非周期性的晶体。可是薛定谔为什么这么说呢？基因为什么得是一个晶体，还必须要是非周期性的呢？那想要回答这个问题啊，我们还得从生命的体积开始讲起。
地球上的生命形式可以说是千变万化啊。往大里说有鲸鱼和大象，往小里说有单细胞的生物，体积差异是很大的。但是啊，所有这些生命都有一个共同点，那就是它们都是由细胞组成的，而就算是最小的单细胞生物，它的里面也包含着1万个原子。那如果以原子作为参照的话，其实所有生命的体积都非常非常的大。可是咱们要刨根问底儿的来问，为什么生命要这么大呢？为什么不能是20个50个原子组成的一个东西也可以成为生命呢？答案其实很简单，如果原子的数量太少，那根本就没有办法组成稳定的生命形式。说到这儿，咱们就要跳到物理规律去了。这是因为啊，生命活动要想进行，它必须得遵循一定的物理和化学定律。这样呢，细胞内部的各种反应才不至于变成一团随机的乱码。不过可能和你的直觉不符合绝大多数所谓的经典物理规律。其实啊，他们都是统计学意义上的规律，这些规律并不适用于单个或者数量比较少的原子。你看啊，在微观世界里，所有原子其实都在时刻不停地进行无规则的热运动，那温度越高呢，无规则的运动就越快。这里咱们说无规则啊，真的就是字面上的意思。那说白了呢，原子的运动是不遵循任何规则的物理规律没有办法解释，也没有办法预测。原子在未来的某一个时刻会处于某种运动状态，只有随着原子数量变得越来越多，整个这个系统才会变得越来越可以预测。物理学规律呢，也开始解释这些原子的集体行为。
咱们举个例子来说啊，假设有这么一个密闭的容器，里面均匀充满着一团雾气，这个雾气呢有无数个极其微小的水滴组成。如果你仔细观察这团雾气，就会发现啊，正如我们预测的那样，它会受到万有引力定律的影响，整体是慢慢的向下降落的。但是如果你在微观的层面，在显微镜下观察某一个水滴，诶，你又会发现物理定律失效了，这个水滴并不像整体那样垂直的缓慢的下落，而是会以一个非常不规则的运动轨迹落下来。有的时候向左，有的时候向右，甚至有的时候还会再往上蹿一点儿。总体上呢，它会像一条蛇一样弯弯曲曲，我们根本就没有办法预测这条蛇一样的轨迹。那之所以会出现这种情况啊，就是因为这些液滴太小了，面对那些不断撞击它表面的单个原子或者是分子的，然后就会改变自身的运动状态。而只有当这些小液滴的数量足够多的时候，他们内部的无规则的运动才会互相抵消。才会在整体上呈现出符合物理规律预测的趋势。所以说一个生命要想存在，它就必须足够大，才可以让物理规律为它最基本的生理活动来保驾护航。那具体多大才够呢？这里薛定谔并没有给出一个确切的数字啊，就是体积大到什么程度才可以构成一个生命。不过呢它提出了一个规则，叫做根号n规则，这个规则可以来判断物理定律的精确程度。咱们举个例子啊，如果有100个分子，根号100呢就是十，这就意味着大约有十个气体分子会不受物理规律的影响。那这个时候呢，这一团分子组成了一个物质，咱们可以假设它是个生命啊，那它的误差值就是10%，这个误差那就太大了。那如果说这段物质有100万个气体分子，那根号100万就是1000。这个时候大概有1000个分子是不受物理规律影响的，那这个时候的误差就是1000÷100万，也就是0.1%。那很明显啊，微观粒子的数量越大，物理规律作用的精确度就越高，而只有精确度高到一定的程度，生命才可以出现。这个时候一个脑洞就来了啊。在我们人类看这个世界的尺度，可以说万事万物都几乎是非常确定的。
而在一个细菌的眼里呢，这个世界的本质啊，可能就是有那么一些不确定性。这种有点儿模糊的世界观，可能是我们这个尺度的生物永远观测不到的。那跟着新的问题就来了。科学家们通过观察细胞里染色体的大小，推断出基因的体积也一定很小，不可能很大啊，它很可能只包含1000个原子，也可能会更小。那这么少的原子理应会受到无规则热运动的剧烈影响，变得特别不稳定。可是实际情况是，包括人类在内的各种生物都可以在很长时间里保证基因的稳定。今天的人类和1000年前的人类其实没有多大的区别，那这么小体积的基因又是怎样调和不稳定的矛盾的呢？传统物理学是没有办法给出答案的，但是量子力学的研究对象恰恰就是微观的粒子。那作为一名量子力学大师，薛定谔就大胆的预测啊，基因中的原子都由量子力学中的一种特殊的力叫做海特勒。伦敦力由这种力的化学键相连接。这种力呢是一种非常稳定的化学键。在它的影响下，原子之间可以形成一种非常井然有序的晶体结构，这个时候的原子可以不再受无规则热运动的干扰，从而保持它自身结构的长期稳定。量子力学的海特勒，伦敦力把原子与原子牢牢的绑在一起，形成一个稳定的结构。那这里所谓稳定啊，换句话说也就是破坏它需要的能量很大。而如此大的能量在量子力学层面上随机的出现在人体中的概率是非常低的，但是它并不是零啊，只是非常低诶。
那说到这儿你有没有联想到什么呀？诶，就是诱发癌症的基因突变。我们体内会随机的出现基因突变，但是它的概率不高。而一旦生命暴露在高能的辐射下，就会大概率触发这种基因突变，也就是我们经常说的辐射致癌啊。这里所谓的辐射致癌。
往根儿上说，就是因为高能辐射提供了大量的能量，足以破坏基因中原子与原子牢牢绑在一起的那个海特勒。伦敦力咱们接着往下说，光是稳定还是够的，要想作为生命的遗传物质，基因还需要储存大量的信息，而一般的晶体是没有办法做到这一点的。薛定谔认为，基因不是一般的晶体，而是一种特殊的非周期性的晶体。那所谓晶体呢，就是由大量原子、离子或者分子按照一定特定的规则有序排列形成的固体。薛定谔把晶体分成了两类，一类呢是周期性的晶体，也就是说它会按照一定的周期性顺序不断重复同样的结构形成的。比如说咱们常见的氯化钠晶体，也就是食盐还有冰晶体，都属于这类晶体。在这些晶体的内部，原子、离子或者分子会按照固定的顺序排列。这些排列顺序呢都是周期性重复的，内容很单调，这里面就储存不了多少信息。而另外一类晶体呢，就是非周期性的晶体。那顾名思义啊，这种晶体的内部结构不是周期性的，内部单元之间的排列顺序在不断的变化。而这种组件的顺序就像是一大串密码一样，可以储存大量的信息。那光是知道生命物质的稳定还是不够的。生命的演化可以分为两个方面啊，一个方面呢就是稳定。通过非周期性的晶体，它的稳定性，生命可以保证把自己的遗传信息即一代一代的传递下去，不至于产生太大的变异。
而另外一方面呢，变异本身又是很重要的。正是变异让进化成为可能，也让地球上的生命从最原始的单细胞生物演化出今天的成千上万的物种。换句话说啊，基因既需要很高的稳定性，同时它的突变也是必不可少的，因为自然环境在不断的变化嘛。所以生命想要适应环境，维持生存，也必须不断调整它自身各方面的性状。那调整从何而来呢？答案就是基因突变。突变是生命不断适应环境，不断进化的前提。当然啊，这里咱们说生命需要突变啊！并不是说生命主动去选择了自身的一种功能，而是没有这种功能的生命压根儿就不会存续下来。同时呢，反过来说，突变的频率也不能太高，它必须是一种稀有的现象，这样才能符合地球环境缓慢变化的要求。因为突变有好有坏，有些突变呢，可以帮助生命更好的适应环境，而更多的突变则可能破坏生命早已调试好的生理特征。毕竟突变是随机的，谁也控制不了，时好时坏。如果突变太频繁了，那有害的突变就会太多了。这个不仅不利于物种适应环境，反而会让物种的进化停止不前，甚至会直接导致物种的灭绝。所以说稳定与突变之间的平衡是特别重要的。
那基因是怎样找到这个平衡点的呢？血地方在这里有一个深刻的的动建，他发现量子力学可以给出完美的解释。基因突变其实就是由基因分子中的量子跃迁造成的。我们知道在量子力学里，微观的粒子从一个能量状态变到另一个能量状态的过程就是量子跃迁。这个咱们之前说过，那不管是原子还是分子，它的自身都有一定的能量，这个能量越低，原子结合而形成的分子就越稳定，基因也是这样的啊。稳定的基因分子它会具有较低的能量，可以一直稳定的持续下去。只有当它从外界获得特定的能量的时候才会发生量子跃迁。而量子跃迁的后果呢就是基因内部原子的排列顺序发生改变，也就是咱们经常说的基因突变啊。那不过这个时候又有一个问题，假设基因发生了突变，在微观的视角里，量子跃迁也就让基因的能量提升了。那基因分子这种能量更高的形态应该也会变得不稳定才对，那它岂不是迟早会突变回去吗？那这样的基因突变不就没有什么意义了吗？
诶，这个就得说到基因分子另外一个特点了，那就是同分异构体。对于有机分子来说，同分异构体还是个挺常见的现象啊。它是说两个分子由完全相同的原子组成，但是原子之间按照不同的顺序连接，导致两个分子的结构和性质也完全不一样。比如说啊丙醇和异丙醇就是一对儿最简单的同分异构体，它们呢都是由三个碳原子、一个氧原子和八个氢原子组成的，其中三个碳原子连接成一个短链儿。不同之处在于丙醇的那个氧原子连接在碳链的一端，而异丙醇的氧原子连接在碳链儿的正中间儿。正是这种组合方式的不一样，让两种分子有了完全不同的物理和化学特点。于是薛定谔就语言啊，基因分子是一种由同分异构元素组成的非周期性晶体。这样的结构可以用尽量少的物质储存尽可能多的信息。
而基因突变其实就是基因分子吸收能量发生量子跃迁，从一种同分异构体变成另外一种同分异构体的过程。这段儿不太好理解啊，但是很重要，如果你没听懂，可以快退几秒钟再听一遍。同分异构体的不同分子都可以很稳定，但是呢总能量都很低，彼此之间呢也没有相互转化的趋势。这是因为从一种构型转变为另外一种构型，必须要经过所谓的中间构型，而这个中间构型的能量呢比两者都要高。这就好比啊，两个同分异构体的能量都位于山谷，想要互相转化就得先获得爬上山峰的能量，再进入隔壁的山谷。而爬上这个山峰所需要的能量值是很高的。所以呢，同分异构体之间不会自发的相互转化，基因突变之后也就不会轻易的再变回去。
那突变想要发生，就得从外界获得超过特定值的能量。而基因分子发生跃迁的能量值恰好就很高，所以突变的自然发生率也就很低。所以正如前面咱们所说啊，科学家们就发现，如果用X射线照射，细胞的基因突变率就会迅速的提高。这是因为x事件中含有大量的能量，一旦接触就可以让基因分子的能量大幅度提升，从而造成量子跃迁。而在自然状态下，基因分子想要发生这种量子跃迁，能量的主要来源是无规则热运动的偶然波动，那这个概率就低的多了。只有在极个别的情况下，分子才会偶然获得超过某个特定值的能量。而最神奇的地方就在这儿。大自然在选择DNA分子作为生命的遗传物质的时候，就已经对它发生跃迁所需要的能量值进行了微妙的调整。让基因突变恰好成为一种比较罕见的现象，既不会经常发生，也不会永远不发生，在稳定和突变之间找到了一个完美的平衡。薛定谔没有就此停下思考啊，而是在繁衍和进化的基础上再提高一层。
站在生命宏观和全局的角度，进一步探讨了生命赖以维持的根本机制。咱们可以思考一下啊，什么情况下我们可以说一块儿物质是活的呢？每个人都会有自己的答案啊。确定的答案是这样的，生命意味着某个物体会主动的、持续的做某种事情。比如说它会不停地移动，不停地和外界环境进行物质交换等等。而这些活动持续的时间呢，要比那些类似环境下的无生命的物质要长很多。比如说啊一块石头它也可以移动，从山上会滚下来。但是呢，用不了多久就会停下来，但是一个人却可以在他的一生中不断的运动。那为什么无生命物体没有办法持续做某件事儿呢？因为啊，如果一个系统没有生命，那么把它放在一个隔绝和孤立的环境中的时候，他所有的运动都符合最简单的物理学规律。并且呢会因为种种的摩擦作用很快就消停下来，电池里的电会逐渐的耗尽，火盆里的火会逐渐的熄灭。之后呢，这些无生命的物体就会逐渐变成一堆死气沉沉的物质，进入一种持续不变的状态，不会再有任何事儿发生了。对于这种状态，物理学家们称之为最大伤。
无生命物体那种所谓的死气沉沉的状态啊，其实就是系统内部的混乱程度达到了最大的状态。在这种状态下，系统的温度因为热传导而变得均匀一致，所以也被称因为热力学平衡。大自然中发生的一切都意味着它所在的那部分世界的伤在增加，世间万物都是这样。那对生命来说也是这样，不管我们是在走路，在呼吸，还是心脏在跳动，所有生物都在时时刻刻增加着自己的伤值。那生物的伤增什么时候是个头儿呢？当然了，就是当生物自身的伤达到最大值的时候，组成这个生物的所有原子都会以最混乱的状态重新回归到宇宙里去洗拍所谓尘归尘土归土。所以呢，熵增的尽头当然就是死亡了。如果站在微观的视角呢？这就意味着个体的死亡。而站在宏观的视角呢，就是整个儿一个族群的灭绝。
那为了延续生命，生物又是怎样应对的呢？薛定谔提出的洞见是，生命要以负熵为生。什么是负伤呢？其实也很好理解啊！既然商是对系统混乱程度的度量，那负商和商就正好相反，是对系统有序程度的度量。换句话说，生物体会通过新陈代谢向自身引入一连串的负伤，也就是一连串的有序来抵偿有生命活动产生的正商。也就是无序。正是在这种分析的基础上，薛定谔才提出了他的观点，生命要以负熵为生。他说，有机体有一种惊人的天赋，可以把大自然中游离的秩序集中到自身的内部。或者换句话说，可以从周围的环境中吸取有序性，从而避免它的原子衰退到混乱的情况中。从这个角度来看，生命之所以神奇，就在于它能在一个永远熵增的世界里不断的获得负熵。薛定谔的这个论述可以说是直击生命活动的最本质的原理。物理学的视角解释了生物学的根本问题。伟大的思想是不会受到科学框架的约束的。他总是能跨越时间，跨越空间的范畴，对世界产生深远的影响，并且给后人带来很多的思考。但是啊，我们在这里要说一个，但是我们站在今天来看薛定谔的思想，也必须保有理性的批判。毕竟啊，薛定谔发表这本书是在1944年。那过去几十年的时间里，很多科学家站在薛定谔的肩膀上，推动着生命科学已经往前走了很多的路了。当他们回头看的时候，有不少学者会批评薛定谔的富商制造了很多理解上的混乱。最直接的一点呢，就是很多普通的读者不容易将负熵和能量这两个概念区分开来。薛定谔提出的这个推测没有描述具体的动力学过程，而只有一个结果，也就是有机体依赖负熵维持结果。我的组织性和细胞的功能将产生的热量散发到外界的环境里。薛定谔不知道，当然也就没有解释有机物体是如何获取负伤的。以负熵为食呢？其实是一个比喻的修辞手法。薛定谔也建议啊，为了用负伤解释生命系统，科学家还必须努力去寻找一种新的物理定律。
同时呢，如果我们只是宽泛的说以负熵为食，那就是生命。那这个定义本身啊，其实也是存在问题的。非生物也可以利用负伤态的能量，比如燃油机就是其中的一个反力，不过呢，反过来又可以对这个反力来抬一个杠。燃油机能利用负伤是因为它是由人设计出来的，而设计和制造出燃油机的人也要消耗更大量的负伤才行。
负熵的概念最大的问题还不在于这儿啊，最大的问题就在于它太好理解了，又加上它不准确。于是啊导致他过于流行了，以至于他在很多非科技的领域带来了大量的曲解和过度的解读。比如说现在啊，很多商业公司的领导就会说，生命以负熵为生，商呢代表混乱。所以企业一定要秩序分明，等级森严，才能像生命一样发展。且不说这个观点本身对不对啊，他完全就是近些年以互联网公司为代表的这些企业对物理学中那些好理解又不算准确的概念的一种盗用。这些概念到了商业的领域，已经和物理学和生物学本身都没有任何关系了。薛定谔观点的优点和缺点咱们今天都聊到了，后面我们还会聊到很多前沿的生命学研究。不过无论如何，我们也绝不应该因为薛定谔观点的历史局限性而敲低了它。
正是薛定谔对生命底层逻辑的深刻洞见，深深地影响了后来人的研究方向，才有了我们今天这些伟大的成果。好了，今天的这本书就和你聊这么多啊。这本书现在也买得到，而且它很薄。那我的讲解呢，完全就是站在一个科普的视角啊，说的都是大白话。如果你想领略物理学家笔下那种有点古板、有点严肃，但是又充满智慧的表达，可以找一本去读一读原著啊。好了，那咱们就下期再聊吧。
