物理学与进化论的“跨界”

    【灼见】

    达尔文提出的进化论不仅是生命科学发展的基础理论，更对现代科学有着深远的影响。比如，在20世纪中叶前后，不少著名的物理学家就曾经进行过“跨界”探索。

    1932年，量子力学的创始人玻尔发表了著名的演说《光和生命》，通过对海森堡提出的测不准原理进行哲学的思考，指出测不准原理应该扩展到对生命现象的认识中，提出要把生物学研究深入到比细胞更深的层次中去。随后，玻尔和他的学生一道合作探讨基因突变机制问题，试图建立基因的量子力学图像。

    1933年，玻尔的学生德布吕克参加了在柏林召开的“基础物理学的未来”讨论会。会上，学者们得出三点结论：第一，物理学一段时期以来提不出有意义的研究；第二，生物学中没有解决的问题为数最多；第三，一些物理学家将进入生物学领域。

    德布吕克由此转向了生物学研究。他和生物学家雷索夫斯基、物理学家齐默合作，在1935年发表了论文《突变和基因结构》，发展了靶学说——基因包含于微观体积（边长为10个原子距离的立方体）。

    这个学说激发那位以“猫”出名的量子物理学家薛定谔在1943年出版了《生命是什么——活细胞的物理观》一书。在这本被称为“唤起生物学革命的小册子”中，薛定谔用热力学和量子力学理论来解释生命的本质，说明有机体的物质结构、生命活动的维持和延续、生命的遗传和变异等问题。他认为大分子可作为遗传信息的负荷者，并提出了遗传密码的概念，同时论述了生命的热力学基础，提出生命是非平衡开放系统，靠负熵为生的概念。书中谈的第三个问题是生命以物理规律为基础，特别是以量子规律为基础，认为生命是一种新的物质结构，它的特点之一是有序性。薛定谔的“生命以负熵为生”的讨论包含了两个重要观点：其一，生命是自组织的低熵状态；其二，生命是开放系统。

    德布吕克和薛定谔用遗传信息的观点来研究遗传学和生物学，开辟了信息学派的先河。这本书中论述的三个观点后来发展出三个方向：理论分子生物学、耗散结构理论和量子生物学。

    而克里克和沃森就是在薛定谔的影响和启发下，分析了遗传的主要物质脱氧核糖核酸（DNA）的有关资料，提出了DNA的“双螺旋结构模型”，彻底解开了生物遗传的信息之谜。

    信息学派的物理学沿着薛定谔开辟的道路继续探索，直到1969年普里高津（布鲁塞尔学派的引领者）提出耗散结构理论，才最终让物理科学改变了观念，承认自然界的基本过程是不可逆的、随机的，承认时间是有方向的，承认非生命系统也有类似生物进化的从混沌到有序的演化行为，这个过程就是信息的进化。耗散结构理论是自组织理论的代表。这一理论认为，复杂的生物系统问题——无论是新陈代谢、个体发育还是种系发育，都有可能利用理论物理学的、数学的方法，从自组织理论的观点予以解决。

    大约与普里高津等一批学者开始发表他们开创性的理论的同时，物理学家霍金等学者以“宇宙大爆炸”理论为基础，开创了一种新的宇宙学。美国天体物理学家埃里克·蔡森证实，这种新宇宙学是探讨宇宙中物质结构进化和地球上生物结构进化之间的连续性的一个领域。

    不可逆变化的研究还受到数学领域内新成果的推动，如托姆和齐曼的拓扑学理论，以及洛伦茨的混沌理论等。

    当普里高津的布鲁塞尔学派开始把他们的不可逆形态变化理论推广到生物和社会领域时，各种条件都成熟了，学者们开始对从宇宙到文化的所有进化现象作详尽考察。这种全新的在其包揽无余的意义上使用的进化论被称为一般进化论，意指广义综合，也被叫作“新的综合”。

    今天，进化论仍在与其他学科的“跨界”中，不断完善、丰富着。

    （郭建崴）