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費(fèi)曼的引言：

物理學(xué)是最基礎(chǔ)的、包羅萬象的學(xué)科，它對整個(gè)科學(xué)發(fā)展有過深遠(yuǎn)的影響。事實(shí)上，物理學(xué)是過去所稱的自然哲學(xué)在今天的等當(dāng)物，現(xiàn)代科學(xué)的大部分來自于自然哲學(xué)。由于物理學(xué)在一切自然現(xiàn)象中所起的基礎(chǔ)性作用，許多領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)生都發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)物理學(xué)。

在本章中，我們將試圖說明其他學(xué)科中有哪些基礎(chǔ)性問題。但是，在這么一點(diǎn)篇幅內(nèi)，當(dāng)然不可能真正討論這些其他領(lǐng)域內(nèi)的復(fù)雜、微妙和美麗的內(nèi)容。缺少篇幅也使我們不能討論數(shù)學(xué)和物理學(xué)之間的最引人注目的關(guān)系。（在我們看來，從數(shù)學(xué)不是一門自然科學(xué)的意義上來說，數(shù)學(xué)并不是一門科學(xué)，它的正確性不是用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)的。）

順便說一句，我們必須從一開始就講清楚，一件事情不是科學(xué)，這并不一定是壞事。例如，愛就不是科學(xué)。因此，如果說什么事不是科學(xué)，這并不意味著這件事有什么錯(cuò)，這僅僅意味著它不是科學(xué)。

現(xiàn)在，我們開始吧！

物理學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系之：

受物理學(xué)影響最深的科學(xué)也許就是化學(xué)了。在歷史上，早期化學(xué)幾乎就是今天所稱的無機(jī)化學(xué)。為了發(fā)現(xiàn)各種物質(zhì)的基本組成元素，化學(xué)家們曾進(jìn)行過大量分析?？梢哉f，原子理論在很大程度上就是由化學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的。

化學(xué)理論幾乎就總結(jié)在門捷列夫周期表中，它是構(gòu)成無機(jī)化學(xué)的種種定則的匯總。所有這些定則最終又在原則上得到量子力學(xué)的解釋，因此理論化學(xué)實(shí)際上就是物理學(xué)。

但是必須強(qiáng)調(diào)，這只是原則上的。即使知道規(guī)則，我們也很難精確預(yù)言某一化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。這就像：即使知道弈棋規(guī)則，我們也很難成為象棋高手。——但無論如何，理論化學(xué)的最終歸宿是在量子力學(xué)中。

實(shí)際上，量子電動(dòng)力學(xué)是全部化學(xué)和生命科學(xué)的理論

（第4期）

還有一門由物理學(xué)和化學(xué)共同發(fā)展起來的重要分支學(xué)科——統(tǒng)計(jì)力學(xué)。就是把統(tǒng)計(jì)學(xué)方法應(yīng)用于力學(xué)規(guī)律起作用的場合。我們不去追究化學(xué)場合下（包含大量原子、分子）每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)——那太難了——而是開發(fā)出一種方法來處理這種復(fù)雜的情況。這便是統(tǒng)計(jì)力學(xué)。它是關(guān)于熱現(xiàn)象或熱力學(xué)的學(xué)科。

而無機(jī)化學(xué)作為一門學(xué)科，現(xiàn)已歸結(jié)為物理化學(xué)和量子化學(xué)。物理化學(xué)研究的是反應(yīng)的速率和發(fā)生的詳細(xì)情況（分子如何碰撞？哪些碎片先飛走？等等），而量子化學(xué)則幫助我們通過物理定律來理解所發(fā)生的事。

化學(xué)的另一個(gè)分支是有機(jī)化學(xué)，即與生物體有關(guān)的物質(zhì)的化學(xué)。它向來神秘，人們曾一度相信，有機(jī)物是不可能用人工方法從無機(jī)物制得的。然而他們錯(cuò)了。有機(jī)物只是包含的原子排列更復(fù)雜罷了。物理化學(xué)和量子力學(xué)的許多內(nèi)容像適用于無機(jī)物一樣也適用于它。

但是，有機(jī)化學(xué)的主要內(nèi)容并不在這些方面，而是在于分析和合成生命系統(tǒng)中所形成的物質(zhì)。這樣，我們就在不知不覺中被帶入到生物化學(xué)，進(jìn)而被領(lǐng)入生物學(xué)。

生物學(xué)是研究生物體的科學(xué)。早期的生物學(xué)家們只限于進(jìn)行純粹的描述性工作，例如，數(shù)數(shù)跳蚤腳上有多少根毛之類。在以很大的興趣完成這些之后，生物學(xué)家們進(jìn)而考慮生物體內(nèi)部的機(jī)制。

物理學(xué)和生物學(xué)之間曾有過一段趣事：物理學(xué)中的能量守恒定律是生物學(xué)幫助發(fā)現(xiàn)的。邁耶在生物吸收和放出熱量的問題上首先發(fā)現(xiàn)了能量守恒。

只要我們更細(xì)致地觀察動(dòng)物的生物學(xué)過程，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，處處都是物理現(xiàn)象：血液的循環(huán)、心臟的跳動(dòng)、血壓等。并且，神經(jīng)系統(tǒng)也和物理學(xué)密切相關(guān)：當(dāng)我們踩在一塊尖石頭上，信息不知用什么方式從腳底傳到了我們的大腦。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)是一種纖細(xì)的小管子（神經(jīng)纖維），它通過管壁抽運(yùn)正、負(fù)離子（外正內(nèi)負(fù)）來改變各處的滲透壓，并將這種改變沿著神經(jīng)纖維一路傳遞下去，就像多米羅骨牌一樣，一直將某個(gè)脈沖（由“踩到石頭”引發(fā)）傳遞給大腦。這個(gè)脈沖可以用電子儀器檢測到，于是理所當(dāng)然地，關(guān)于電效應(yīng)的物理學(xué)對理解神經(jīng)系統(tǒng)大有幫助。 

反過來，大腦也通過神經(jīng)纖維來傳遞反饋信息（也是一個(gè)脈沖）。當(dāng)脈沖到達(dá)神經(jīng)末梢時(shí)，會(huì)射出一小團(tuán)叫做乙酰膽堿的化學(xué)物質(zhì)，它們影響肌肉纖維，使它收縮，從而令我們對外界刺激給予適當(dāng)反應(yīng)。但乙酰膽堿為什么能改變肌肉分子的大小，現(xiàn)在還不清楚。

生物學(xué)的領(lǐng)域是如此廣闊，有大量問題我們根本無法敘及，比如視覺、聽覺機(jī)制等。可是，從生物學(xué)的觀點(diǎn)來看，它們還并非基礎(chǔ)性的，并不是生命的根本，即使我們理解了它們，我們還是不理解生命本身。

曾經(jīng)我們也以為研究神經(jīng)的工作很重要，因?yàn)楫吘姑總€(gè)動(dòng)物都有神經(jīng)?？墒?，沒有神經(jīng)依然可以有生命：植物就沒有神經(jīng)，也沒有肌肉，它們照樣活著。因此對生物學(xué)的基本問題，我們還須看得更深刻一些。

于是我們發(fā)現(xiàn)，所有生物體的最普遍特征是：它們都是由細(xì)胞組成的（病毒除外）。每個(gè)細(xì)胞內(nèi)都有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜機(jī)制。在反應(yīng)中，一種化合物變成另一種化合物，——然后再變成另一種化合物。就像下圖中這個(gè)克雷布斯（檸檬酸/三羥酸）循環(huán)：

克雷布斯循環(huán)（也叫呼吸循環(huán)），1937年由英籍德裔生物化學(xué)家克雷布斯發(fā)現(xiàn)，并令他榮膺1953年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

從分子層面看，該循環(huán)中的每種化合物和每步反應(yīng)都不復(fù)雜，但在實(shí)驗(yàn)室里卻難以完成。后來發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)橛幸环N所謂活化能橫亙在它們之間，就好像兩種物質(zhì)之間存在一種能量“位壘”，只有翻過這道屏障（吸收足夠能量），前者才能順當(dāng)變成后者。但是生物體有其獨(dú)特秘技——想辦法繞過小山，直接反應(yīng)！（這樣就無需額外的能量去克服“位壘”障礙了?。?/span>

使它得以成功的法器就是——酶（初稱“酵素”，因?yàn)樗窃谔堑陌l(fā)酵過程中發(fā)現(xiàn)的，其組成物質(zhì)多為蛋白質(zhì)）。這是一種存在于細(xì)胞中的超級大分子，它們以某種復(fù)雜的方式使較小的分子處于正好的狀態(tài)，使得反應(yīng)容易發(fā)生。實(shí)際上克雷布斯循環(huán)中的每步反應(yīng)都有酶的參與。

但酶本身并不直接參與反應(yīng)。它們只是做類似搬運(yùn)的工作，將一個(gè)原子從一個(gè)地方挪到另一個(gè)地方（從“位壘”的一邊轉(zhuǎn)移到另一邊），做完以后，又準(zhǔn)備好對下一個(gè)分子做同樣的事，就像工廠里的機(jī)器一樣。

有趣的是，酶不僅搬運(yùn)原子，它們中的一些也會(huì)搬運(yùn)能量。例如，驅(qū)使某些低能量物質(zhì)變?yōu)楦吣芰课?/span>質(zhì)（將能量儲存），然后在需要用到的時(shí)候，將能量釋放出來變回低能量物質(zhì)。（典型的如上面循環(huán)圖中的GDP和GTP——GTP能釋放能量令肌肉收縮而變回GDP）。它們根本不在乎反應(yīng)往哪個(gè)方向進(jìn)行，只兢兢業(yè)業(yè)地協(xié)調(diào)著各種生物過程。如果沒有它們，許多反應(yīng)就要違背物理規(guī)律（能量最低、熵增等）。

物理學(xué)對其他學(xué)科的重要性還體現(xiàn)在一個(gè)重大方面：實(shí)驗(yàn)技術(shù)。實(shí)際上，生物學(xué)家能得出各種生物化學(xué)循環(huán)圖，全倚仗對反應(yīng)中所用原子的“同位素標(biāo)記”。因?yàn)樵拥幕瘜W(xué)性質(zhì)僅取決于電子數(shù)，而與中子數(shù)無關(guān)。所以在化學(xué)上，C¹²和C¹³是相同的。我們就可以利用其質(zhì)量不同來分辨它們，從而追蹤反應(yīng)的進(jìn)程。1939年，魯賓和卡門就采用同位素標(biāo)記法澄清了“光合作用中釋放的氧是來自水，還是來自二氧化碳”的問題?！鼇碜杂谒?。

現(xiàn)在，回過頭來說酶和蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是非常有特征的生命物質(zhì)：首先，它們組成了所有的酶（現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，只是大部分）；其次，它們構(gòu)成了大部分其余的生命物質(zhì)。蛋白質(zhì)具有有趣而簡單的結(jié)構(gòu)：它們是一團(tuán)氨基酸鏈。從1960年以來，我們獲得的一個(gè)重大勝利是終于弄清楚了蛋白質(zhì)中原子的精確空間位置。但這個(gè)發(fā)現(xiàn)并未能令我們對它們?yōu)楹斡羞@樣那樣的性能有更多理解。這是有待解決的問題。

另一個(gè)問題是：酶怎么知道該成為什么呢？（它怎么知道要怎樣繼續(xù)服務(wù)下一代？）一只紅眼蠅生出一只小紅眼蠅，產(chǎn)生紅色素的酶組信息是怎樣一代傳一代的？

這就是DNA（脫氧核糖核酸）的功勞。它不是蛋白質(zhì)，且只存在于細(xì)胞核中。這種關(guān)鍵物質(zhì)由一代細(xì)胞傳給下一代細(xì)胞，并攜帶如何生成酶的信息。它能給蛋白質(zhì)下指令，并且自我復(fù)制的方式十分巧妙。

人們對DNA的結(jié)構(gòu)研究了很長時(shí)間，最終發(fā)現(xiàn)：它是一條雙鏈，彼此纏繞在一起。每條鏈都是一個(gè)糖和磷酸基的序列，二者彼此配對，兩相互補(bǔ)。制造蛋白質(zhì)的指令或許就包含在這種特定序列中。當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，鏈從中間打開，一半最終和一個(gè)細(xì)胞在一起，另一半則跟著另一個(gè)細(xì)胞；在分離之后，每條單鏈都生成一條新的互補(bǔ)的另一半，從而實(shí)現(xiàn)完美復(fù)制。

但我們還是不知道這種DNA序列是怎么決定蛋白質(zhì)中氨基酸的排列的。這是今天生物學(xué)中還未解決的中心問題。雖然我們有一些線索，例如：我們知道蛋白質(zhì)生成的地方是微粒體，但是它不在細(xì)胞核內(nèi)；我們還知道有小段的分子斷片（RNA）從DNA中放出，它以某種方式攜帶著DNA的信息去到微粒體中，然后微粒體就合成出蛋白質(zhì)了。

是的，我們知道的也就這些了。關(guān)于氨基酸怎樣進(jìn)來以及怎樣根據(jù)RNA上的密碼排列成各種蛋白質(zhì)，我們一無所知。就算給我們一段DNA序列，我們也不知道怎樣去解讀密碼，——我們無法告訴你要生成的是哪種蛋白質(zhì)。（半個(gè)世紀(jì)過去，我們其實(shí)已解出一小部分，但相對于總體而言依舊是冰山一角）

在當(dāng)代，肯定沒有哪門學(xué)科或者領(lǐng)域，能夠像生物學(xué)那樣，在如此多的前沿上取得如此大的進(jìn)展。如果我們要提名一個(gè)引導(dǎo)我們在理解生命的探索中不斷前進(jìn)的最強(qiáng)有力的假設(shè)，那就是萬事萬物都是由原子構(gòu)成的，并且生物體的一切行為都可以通過原子的振動(dòng)來理解。

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文案整理/配圖：大文

排版：Mr.龍