科学元典丛书生命是什么(附我的世界观)

导读

向义和（清华大学物理系教授）


薛定谔对基因性质的物理学分析及其思想影响

《生命是什么》是杰出的奥地利物理学家薛定谔根据他在1943 年对都柏林三一学院高年级学生的演讲而写成的, 次年由剑桥大学出版社予以出版。本书还有一个副标题“物理观下的活细胞”在本书中, 薛定谔把物理学和生物学结合起来, 用物理学观点深刻地分析了基因的性质, 揭示了基因是活细胞的关键组成部分, 指出生命的特异性是由基因决定的, 以及要懂得什么是生命就必须知道基因是如何发挥作用的。

一、 基因概念的历史发展
二、
1865 年, 奥地利修道士孟德尔在他的《植物杂交实验》论文中提出, 植物的各种性状是通过存在于所有细胞中的两套遗传因子表现出来的。植物只将两套遗传因子中的一套传给子代。子代植物从雄性和雌性植物中各得到一套, 即共接受两套遗传因子。孟德尔的遗传因子后来改名为“基因” 。
1869 年, 瑞士生化学家米歇尔在细胞核中发现了含有氮和磷的物质, 他把这种物质称为“核素”, 后来改名为核酸。20 世纪初, 德国生化学家科塞尔开始了对核酸的生化分析, 发现了构成核酸的四种核苷酸。核苷酸由碱基、糖和磷酸组成。碱基有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。这种核酸称为脱氧核糖核酸(即DNA) 。后来进一步弄清了DNA 在细胞里的位置, 1914 年德国生化学家福尔根用染色法发现DNA 在细胞核内的染色体里。
初的进展是弄清了遗传因子与染色体的关系。染色体是细胞核内的线状物质, 在细胞分裂时才能观察到。多数高等动植物的每一个细胞核中有两组同样的染色体。人的染色体数是46 条, 即有23 对染色体。细胞分裂(一个细胞分裂后形成两个新的细胞, 即子细胞)时, 染色体的分配机制使得两个子细胞接受的染色体相同。
1902 年, 哥伦比亚大学的研究生萨顿提出, 孟德尔假设的分离与显微镜中发现的细胞分裂期间染色体的分离非常相似,一年之后详细的细胞学研究证实了他的观点, 从而表明孟德尔的遗传因子可能是染色体或者是染色体片段。1911 年, 美国遗传学家摩尔根提出, 假如基因在染色体上呈线性排列, 那么就应该有某种方法来绘制染色体上基因相对位置的图。1915 年, 摩尔根和他的两位学生出版了《孟德尔式遗传机制》一书, 他们认为基因是物质单位, 并位于染色体的一定位置或位点上, 每一个基因可以视为一个独立的单位, 它与其他相邻的基因可以通过染色体断裂和重组过程而分离。摩尔根的学生缪勒(Johannes Muller,1890—1968)用X 射线造工突变来研究基因的行为, 他明确指出“基因在染色体上有确定的位置, 它本身是一种微小的粒子, 它明显的特征是‘自我繁殖’ 的本性” 。1929 年, 摩尔根的《基因论》问世, 他坚持“染色体是基因的载体” 。
进入20 世纪40 年代后, 基因概念的一个重要发展是对基因功能的认识, 对基因与代谢和酶(即蛋白质的催化剂)的关系的揭示。1945 年, 美国遗传学家比德尔和塔特姆提出了“一个基因一个酶”的假说。这一假说认为每一个基因只控制着一种特定酶或蛋白质的。, 人们一般认为一个基因一个酶的假说还不够完备, 因为一个基因显然只编码一条多肽链, 而不是编码一个完整的酶或蛋白质分子。

二、 薛定谔对基因性质的物理学分析

（一） 基因的大尺寸

薛定谔在《生命是什么》的第二章“遗传机制”中、“单个基因的大尺寸” 一节里,把基因作为遗传特征的物质携带者, 并强调了与我们的研究很有关系的两个问题:是基因的大小, 或者宁可说是基因的大尺寸, 也就是说, 我们能够在多小的体积内找到基因的定位;第二是从遗传型式的持久性断定基因的稳定性。
在估量基因的大小时, 薛定谔认为有两种完全独立的方法, 一种是把基因大小的证据寄托在繁殖实验上。这种估量方法是很简单的, 如果在果蝇的一条特定的染色体上定位了大量的表示果蝇特征的基因, 我们只需要用这个数量的截面来分划染色体的长度, 就得到了需要的估量。显然这个估量只能给出基因的大尺寸, 因为在染色体上基因的数量将随着基因分析工作的继续进行而不断地增加。
另一种是把基因大小的证据建立在直接的显微镜检验上。用显微镜观察生物细胞内的染色体纤维,你能看到穿过这条纤维的横向的密集的黑色条纹,这些条纹表示了实际的基因(或基因的分立)。当时的生化学家在果蝇的染色体上观测到的平均条纹数目大约是2000 条。这一结果与用繁殖实验定位在果蝇染色体上的基因数大致有相同的数量级。用这一数目划分染色体的长度就找到了基因的大小约等于边长为30nm 的立方体的体积。
接着, 薛定谔在题为“小数目” 一节中, 对30nm 这个数字作了分析, 他指出30nm 大约只是在液体或固体内100 或150 个原子排成一行的长度,因此一个基因包含的原子数不大于100 万或几百万个。从统计物理学的观点来看, 为了产生一个有条理的行为, 这个数目是太小了, 因此基因可能是一个大的蛋白质分子(当时蛋白质被认为是遗传物质, 而不是DNA), 在这个分子中每个原子、每个原子团、每个杂环起着一种不同于任何其他相似的原子、原子团或杂环起的独特的作用。
1953 年, 美国遗传学家沃森和英国生物物理学家克里克发现了DNA 分子的双螺旋结构, 在他们发表的论文《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构》中J.D .沃森.双螺旋——发现DNA 结构的故事［M］.刘望夷，等译.北京:科学出版社, 1984： 146, 147.使用X 射线衍射实验数据, 两个碱基对之间的距离(即现在所说的一个碱基对的长度)为0.34nm, 螺旋的半径为1nm。按照2000 年4 月人类基因组计划测序的结果, 果蝇基因的平均长度为10kb(1kb 表示1000 个碱基对)。如果把螺旋的体积简化为一个圆柱体的体积来计算, 则可以算出果蝇基因的平均体积约为10.7 ×(10nm)3, 比薛定谔的计算值小2.5 倍, 这个结果是合理的, 因为随着时间的推移, 在染色体上发现的基因数就会增多, 相应的基因的平均长度就会减小, 从而基因的平均体积的计算值也会减小。这一结果说明薛定谔在当时不仅具有基因定量化的思想, 而且他的计算结果在数量级上与现在是一致的。这对于人们定量地去研究基因无疑起到了极大的促进作用。

（二） 基因的物质结构

对于基因的物质结构薛定谔提出了一个的“非周期性晶体结构”的科学预见。在章中的“统计物理学。结构上的根本差异” 一节中, 他首先提出生命物质的结构与非生命物质的结构完全不同。他说: “有机体中重要的那部分结构的原子排列方式以及这些排列方式之间的相互作用，与物理学家和化学家们迄今为止在实验中及理论上研究的对象有着根本的差异。” 接着, 他对染色体的结构提出了科学的预见。他说: “生命细胞的基本部分——染色体结构——可以颇为恰当地称为非周期性晶体。”他指出: “迄今为止，我们在物理学上处理的都是周期性晶体。对于一般的物理学家来说，这已经是非常有趣和复杂的研究对象了。”接着他生动地描述了这个对比, 他说: “两者在结构上的差别，好比一张普通墙纸和一幅杰出刺绣的差别，前者只不过是按照一定的周期性不断重复同样的图案，而后者，比如拉斐尔花毡，则绝非乏味的重复，而是大师的极有条理和富含意义的精心设计。”
生物大分子的非周期性晶体结构是怎样形成的呢? 薛定谔在第五章的“非周期性固体”一节中阐述了这个问题。他说: “微小的分子可以被称作“固体的胚芽”。以这样一个小小的固体胚芽为起点，似乎可通过两种不同的方式来建立越来越大的集合体。种方式是相对无聊地向三维方向不断重复同样的结构。生长中的晶体遵循的正是这种方式。一旦形成周期性之后，集合体的规模就没有什么明确的上限了。另一种方式是不用枯燥的重复来建立越来越大的集合体。越来越复杂的有机分子就是如此，其中的每一个原子、每一个原子团都起着各自的作用，和其他分子中相应的原子或原子团所起的作用并不完全一样（在周期性结构中则完全一样）。我们或许可以恰如其分地称之为非周期性晶体或固体，于是，我们的假设就可以表达为： 我们认为一个基因——或许整个染色体结构虽然它高度多变，但这并不是反对的理由，因为细铜丝也是这样的。，就是一个非周期性固体。”
薛定谔关于遗传物质是“非周期性晶体”的说法具有深远的意义: 一方面由于它的非周期性蕴涵着分子排列的多样性, 这就意味着遗传物质包含了大量丰富的遗传信息;另一方面由于具有晶格结构, 所有的原子或分子都与周围的原子或分子连接在一起, 所以相当稳定。DNA 双螺旋结构的发现者们正是在读了薛定谔的《生命是什么》一书，并在DNA已被证实为遗传物质后, 才把DNA 的具体的物质结构作为研究方向的。

（三） 基因的稳定性

薛定谔在第二章“持久稳定性”一节中一开始就提出两个问题: 我们在遗传中遇到多大程度的稳定性, 因此我们必须把什么归因于携带遗传性质的物质结构?
他认为,遗传性质在世代传递中保持不变的事实, 说明遗传的稳定性几乎是的。他指出, 由双亲传递给子代的不只是这个或那个特性, 因为这些特性实际上只是整个(四维)“表观型” 的样式, 体现了这个个体看得见的、明显的性质在没有很大改变的情形下被后代复制, 在几个世纪中保持了稳定性。那么内在的决定因素是什么呢? 携带遗传性质的物质承担者是什么呢? 他认为, 每次遗传都是来自于结受精卵细胞的两个细胞核的物质结构,也就是遗传特性取决于双亲的精子细胞核和卵细胞核内的染色体上的基因结构, 即取决于“基因型” 。薛定谔还利用他提出的分子的固体性说明了基因的稳定性。在第五章中的“真正重要的区分” 一节中, 他说: “这样做的道理在于，将分子中各个原子（不管是多还是少）联结在一起的力和那些组成真正的固体或晶体的大量原子之间的力，性质是完全相同的。分子能表现出和晶体一样的结构稳固性。应该还记得，我们此前正是用这种稳固性来解释基因的持久性的。”
薛定谔明确指出, 要理解基因的稳定性, 就要解释使分子保持一定形状的原子间的相互结合力, 在此经典力学是无能为力的, 只能依靠量子理论。他在第四章中的“量子理论可以解释”一节中说: “就当前的认识而言，遗传机制不但和量子理论密切相关，甚至可以说就是建立在其基础之上的。”他指出： “海特勒伦敦理论涉及量子论新前沿（称为“量子力学”或“波动力学”）中的为精致和复杂的概念。”又说：“已经有现成的工作可以帮助我们整理思考，现在似乎可以更为直接地指出“量子跃迁”和突变之间的联系，并挑出显著的问题。”
薛定谔在第四章“量子力学的证据”中, 根据量子理论的“分立状态” “能级”和“量子跳跃”的概念解释了稳定性问题。在第四章的“分子”一节中, 他说: “对于给定的若干原子而言，其一系列不连续的状态中不必然但有可能存在着一个低能级，它意味着原子核彼此紧密靠拢。这种状态下的原子就形成了一个分子。这里要强调的一点是，分子必然会具有某种稳定性；它的构型不会改变，除非从外界获得了“提升”到相邻的更高能级所需的能量差。因而，这种能级差便在定量水平上决定了分子的稳定程度，它的数值是明确的。”
他期望读者接受上述概念, 因为大量实验事实已经检验了它。他说: “上述说法都已经经过了化学事实的彻底检验，而且被证明能够成功地解释化学价这一基本事实以及关于分子的诸多细节，比如它们的结构、结合能、在不同温度下的稳定性，等等。”

（四） 基因的突变

薛定谔指出遗传特性的突变是由于基因的突变造成的。他在第三章的“突变个体后代有相同的性状，即突变被完全遗传下来了”一节中说: “突变无疑是遗传宝库发生的一种变化，有必要追溯到遗传物质的某种改变。”虽然当时还没有可靠的实验证据, 但是, 他仍然认为遗传性状的突变是由于染色体上基因的突变引起的。他在第三章的“定位。隐性与显性”一节中说: “这正是我们预期的由突变体的同源染色体在减数分裂中分离带来的结果。”
他还认为染色体上一些相同原子的不同构型的分子(即同分异构分子)表示不同的基因。他在第四章的“项修正”一节中说: “应用到生物学上，就表示相同“位点”上一个不同的“等位基因”，而量子跃迁就代表一次突变。”他在“第二项修正”一节中进一步指出: “实际上它们确实不同，两者所有的物理常数和化学常数都有显著的差异。它们具有的能量也不同，代表着“不同的能级”, 因此,“从一种构型转变为另一种构型，必须经由中间构型，而后者的能量比前两者都要高”, “所谓的‘量子跃迁’，指的是从一种相对稳定的分子构型转变为另一种相对稳定的分子构型。发生转变所需的能量供给（它的量用W表示）并不是实际的能级差”, “因为它们不会产生持久的影响，难以引起人们的注意。分子发生这些转变后，几乎立刻又回到了初始状态，因为没有什么东西会阻碍它们的回归”。
薛定谔还从遗传突变的不连续特性出发, 指出突变是由于量子跃迁的结果。他在第三章“突变” 的一节“‘跳跃式’突变——自然选择的作用基础”中说: “‘跳跃式’这个词并不是说变化有多么的大，而是说少数那几个发生变化的和未发生变化的个体之间没有中间形式，存在着不连续性。”他认为这个有意义的事实是不连续性,意味着在两个分立状态之间没有中间状态, 在相邻能级之间没有中间能量, 表明生物遗传特性的突变是由于在基因分子中的量子跳跃造成的。

（五） 基因的功能与作用

在上面我们已经指出薛定谔的一个重要观点,基因是遗传特征, 即遗传信息的携带者, 他又知道基因定位在染色体上, 基因是染色体上的一个片段的事实, 所以他认为染色体上包含了个体发育、成长的全部信息, 提出了染色体是遗传密码原本的论断。在第二章“遗传机制”的“遗传密码本(染色体)”一节中, 他说: “虽然可以通过形状和大小分辨出单个染色体，但是这两组染色体几乎完全相同。稍后我们会了解到，其中一组来自母体（卵细胞），另一组来自父体（与卵子结合的精子）。正是这些染色体，或者仅仅是我们在显微镜下看到的形似中轴骨的那些染色体纤丝，含有某种决定了个体未来发育及其在成熟形态下的功能的整个模式的密码本。每一组完整的染色体都含有全部的密码；因此，作为未来个体早阶段的受精卵中通常会含有两份密码。” 薛定谔还认为密码原本术语的含义太窄了, 它没有体现染色体上基因的全部功能和作用。他用了下面一个生动的比喻来形象地说明基因的多种多样功能, 他说: “它们集法典规章和行政体系——或者换个比喻，设计师的蓝图和建筑工的技艺——于一身。”
薛定谔还从生物分子的同分异构性引起的原子或原子团排列的多样性来说明遗传密码内容的丰富多样性。他认为基因是一个生物大分子, 它由很多同分异构(指化合物有相同的分子式, 但具有不同的结构和性质)的小分子所组成, 这些小分子的性质以及它们的排列方式可能包含了遗传信息, 决定了遗传密码。他在第五章的“压缩在微型密码中的丰富内容”一节中说: “常常有人问，像受精卵的细胞核这么一点点物质，怎么能如此详尽地包含关于一个有机体未来发育的密码信息呢？在我们的认识范围内，一个能够提供各种可能的（‘同分异构的’）组合方式，而且大小还足以在一个狭小的空间范围内包含一个复杂的‘决定性’的物质结构，似乎只有非常有序的原子集合体，它的抵抗力足以持久地维持这种秩序。”为了说明小分子的种类和个数与排列数的关系, 他举了摩尔斯(Morse)电码的例子。他说: “点和划这两类不同的符号，如果用不超过4个的符号进行有序组合，就可以产生30组不同的电码。若是在点和划之外再加上第三类符号，且每个组合中的符号不超过10个，将得到88572个不同的‘字母’。”可见, 在生物大分子中,随着小分子或原子团的种类和数目的增加, 它们排列方式的数目就会大量增加, 储存的信息量也相应地。
薛定谔进一步说明每个基因、每个密码因子不只是表示一个可能的分子, 而且也可能具有操作分子的作用。他说: “ 当然在实际情况中，对一组原子来说并不是‘每一种’组合方式都存在相应的分子；此外，这也并不是说密码本中的密码就可以随意使用，因为密码本自身就是引起发育的作用因子。”他在第六章“该模型中一个值得注意的一般性结论” 一节中说: “基因的分子图景至少使我们有可能设想，微型密码对应着高度复杂和专门化的发育计划，并包含着使之得以实现的某种方式。”

三、 薛定谔科学思想的影响

1943 年, 薛定谔在给都柏林三一学院高年级学生做次讲课时, 他高瞻远瞩地向年轻的学子们提出了时代赋予的科学统一的任务。这也就是他在《生命是什么》的序言中所说的话: “我们从先辈那里继承了对一种统一的、无所不包的知识的殷切追求。那些高学府所被赋予的独特名称（即university）译注： 即大学，其英文“university”的词根与下文的“universal”相同。提醒着我们，自古以来的数个世纪当中，只有普遍的（universal）东西才能完全获得承认。然而，在刚刚过去的百余年里，各个知识分支在广度上和深度上的扩展，使我们面临着一个奇怪的困境。我们清楚地感受到，直到现在我们才开始获得能够将以往所有的知识融合为一个整体的可靠材料；然而另一方面，一个人要想跨越他专攻的那一小块领域以驾驭整个知识王国，已是几乎不可能的了。”因此, 薛定谔感到为了实现知识统一的目标,除了我们应当继续坚持理论与实验相结合, 努力克服知识的局限性外, 没有别的出路。
薛定谔在用大量的篇幅对基因的性质进行了物理学分析, 特别是用量子论分析后, 他又在第六章中, 从热力学关于有序、无序和熵的观点, 来说明维持生命物质高度有序性的原因, 提出了“生命赖负熵为生”的名言。他在“从环境中汲取‘有序’而得以维持的组织”的一节中说: “ ‘它靠负熵生存’，它会向自身引入一连串的负熵，来抵偿由生命活动带来的熵增，从而使其自身维持在一个稳定而且相当低的熵值水平。”
全书快结束时, 在第七章中, 回答“生命是否基于物理定律?” 的问题时, 薛定谔阐述了物理学和生物学的关系。他首先从有机物具有与无机物完全不同特征出发, 指出虽然经典物理学在解释生命现象时遇到了困难, 但是这并不意味着它们对于解决生命问题没有帮助。事实上, 情况恰好相反, 对生命的研究可能会展示出在纯粹研究无机现象时无法发现的全新的自然界景观, 发现在生命物质中适用的新型的物理学定律。他在第七章的“新定律并不违背物理学”一节中指出: “所谓的新定律也是真正意义上的物理学定律： 我认为，它不过是再次回归到了量子理论的原理罢了。”
在20 世纪40 年代和50 年代, 薛定谔的生物学观点具有很大的影响, 尤其对年轻的物理学家影响更大, 他将一些物理学家引到一个科学研究的新的前沿, 推动他们转入生物学的新领域, 去探索物理学的新定律。薛定谔的《生命是什么》一书自1944 年出版后, 到1983 年的40 年间, 在西方世界各国出版了12 版之多。他的这本书成为当时分子遗传学的“结构学派”(应用物理化学定律来研究生命物质的分子结构)的纲领, 为DNA 双螺旋结构的发现者们提供了强有力的思想武器。
DNA 双螺旋结构的发现者之一、美国遗传学家沃森在芝加哥大学读书时, 在读了薛定谔的《生命是什么》后, 就被这本书吸引住了。后来他说, 正是这部书引导他去“寻找基因的奥秘” 。一位采访沃森的记者曾经向他提出问题: “薛定谔的波动方程使他成为有名的诺贝尔奖(1933 年)得主, 作为物理学家, 他试图用量子理论来谈生命问题, 这在当时是具有划时代意义的事情吧?”他说: “那本书对‘生命是什么’ 进行了提问, 薛定谔对提问作出了回答。他叙述了生命的本质, 人类、虎、鼠等所具有的特性, 指出生命的特性是由染色体决定的。他还认为生命有说明书, 说明书肯定存在于分子上。分子上有非常特别的构造, 能利用某一方式将信息拷贝下来。”
DNA 双螺旋结构的另一位发现者、英国生物物理学家克里克曾于20 世纪30 年代后期在伦敦大学获得物理学学位, 后来又攻读物理研究生, 打算从事粒子物理研究。1946 年, 他读了薛定谔的《生命是什么》一书后, 受到了该书的启发而想研究物理学在生物学中的应用。书中提出的“可以用的概念,即物理学和化学的概念, 来考虑生物学的本质问题”给他留下了深刻的印象, 他读罢书后写道： “伟大的事情就在角落里。”他所说的伟大的事情指的是利用X射线法对蛋白质和核酸的研究。
发现DNA 双螺旋结构的有三位诺贝尔奖得主,除了沃森、克里克外, 还有一位英国物理学家威尔金斯(Maurice Wilkins), 他和富兰克林(Rosalind Franklin)都是伦敦金氏学院的研究员, 通过摄制DNA 的X 射线衍射图为这一结构提供了实验证据。威尔金斯也是在读了薛定谔的《生命是什么》一书后, 转入用X 射线衍射法研究DNA 的结构的。他们在思想上都受到了薛定谔的影响, 所以, 尽管他们原来的工作领域不同, 但是他们仍然以相似的观点和不同的方式来探讨生物学问题。由于实现了生物学与物理学的结合, 理论与实验的结合, 这个科学的交叉领域终于获得了大突破, 于1953 年发现了DNA 的双螺旋结构, 从而开创了生命科学的新纪元。
自从20 世纪50 年代生物物理学作为一门独立学科诞生以来, 它已在研究生命物质的各个方面取得了显著的成就。由于物理实验仪器和实验技术已经达到纳米水平或分子生物水平, 人们对生物分子各方面的性能有更进一步的了解, 未来科学上性的突破有可能在生物学和物理学的结合点上实现。又由于分子生物学的研究已经越来越接近生命的本原, 生物学将变得越来越数学化, 物理学也将会更接近生物学。无疑, 我们正处在一个令人激动的科学时代里。复杂的生物向物理学家展示出很多有意思的现象, 提出了很多有趣的问题, 值得物理学家去探索、研究、发现新的物理学规律, 实现老一辈物理学家薛定谔的梦想: 物理学和生物学的统一。
（致谢： 本文作者感谢清华大学生物科学与技术系刘进元教授审阅了此文。）