塑造生命的4大物理原理

作者简介

拉古维尔·帕塔萨拉蒂 生物物理学领域新锐科学家。现为俄勒冈大学物理学教授，主要研究方向是生物物理学、微生物群落、宿主-微生物相互作用和先进显微技术。 2020年，他因在生物物理学，特别是在对肠道微生物群和脂双层的理解方面的创造性和创新性贡献，被选为美国物理学会会员。

内容简介

引言 所有生命皆被4大物理原理塑造 生命是如何运作的？这个问题乍一看可能会令人有些不知所措，甚至会让人觉得荒谬。生命体存在的形式多种多样，既有疾驰的猎豹，又有静止的树木，还有体内存在数以万亿计细菌的独特的人体。对于这些生命体而言，这个问题怎么会存在普适的答案呢？即使是同一个生命体，其经历也千差万别：设想一下，一只小鸡从蛋中孵化出来，它第一次拍打翅膀，它看到一只狐狸时心跳加速，以及它将吃掉的食物和喝下的水转变成鸡蛋。有什么知识框架可以包含这一切呢？ 我们试图寻找答案，从生命的多样性中寻找某种统一性。这一点在我们根据外表或行为的相似性对生物进行分类的古老冲动（本能）中有所体现。亚里士多德根据动物是产卵还是生育幼崽等特征对其进行分类。古印度文献记载了多种分类方法，其中包括按照起源方式进行划分的方法：“卵生，胎生，湿生，芽生。”现代分类学起源于 18 世纪卡尔·林奈（Carl Linnaeus）在其作品中提出的分类学说，他将生命体的命名方式系统化，并基于生命体的共同特征创造了一种等级分类体系。这种分类体系我们沿用至今。然而，分类本身并不能解答我们的疑惑。我们想知道使生物具有共同点的原因，而不仅仅局限于共同点是什么。 在本书中，我们通过物理学的视角来寻找原因，揭示生物学中令人惊讶的精妙之处和井然秩序。当然，这不是深刻洞察生命的唯一视角。我们还可以通过生物化学的视角来了解原子怎样结合在一起形成有机物的分子，能量如何存储到化学键中和从中释放，以及化学反应中物质和能量的不断流动如何构成生命体的新陈代谢。但是仅靠化学，我们很难将视野从分子尺度转换到我们身边的动植物尺度，甚至是单细胞尺度上来，也很难理解形状和形态的形成原因。 还有一个视角是进化论视角。自 19 世纪中叶达尔文和阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace）对进化有了深刻的理解以来，我们将生物的特征视为更深层次历史进程的体现。无论是解剖学上的可见特征还是 DNA序列中的隐藏模式，其相似之处都可以反映出生命体共同的起源，借此我们可以构建一个将所有生命体联系在一起的关系树。生物所处的环境为它们的生存提供了不可预测的机遇，同时也带来了压力，这一切导致了生命体之间存在着差异。因此，生物现在的形态反映了过去的历史。进化为理解生命提供了一个强大的框架。然而，进化不是本书关注的重点。因为已经存在很多关于这个主题的大众读物，更重要的是，仅靠进化论并不能解释“为什么”，它更多的是在解释“怎么样”。 为了说明我所说的“为什么”是什么意思，我们可以用鳔来举例。它是多种（但不是所有）鱼类体内的一对充满气体的囊。将现存的和灭绝的生物进行比较可以揭示这个器官的进化历史，它与达尔文所说的呼吸空气的动物的肺的出现有关。然而，理解鳔的功能需要一些物理知识：封闭气体的低密度抵消了硬骨鱼骨骼的高密度，这些鱼类因此能够保持与水环境相等的平均密度，从而可以轻松地停留在任何它们喜欢的深度。鳔只是鱼类改变自身密度的一种途径。如果鱼的体内含有大量低密度的油，或者其骨骼由软骨而不是硬骨组成，那么也可以达到改变自身密度的效果。没有鳔的鲨鱼采用的就是这两种方案。软骨鱼和硬骨鱼的最后一个共同祖先生活在 4 亿多年前。从那时起，这两个群体通过不同的进化路径发展出了不同的方案，来应对水中运动这一共同的物理挑战。我们认为，理解这些与密度控制相关的解剖特征产生的原因，可以揭示出鱼类共有的隐藏统一性，这种统一性超越了它们的进化差异，这是贯穿本书的观点。然而，我们应该记住，正是变异和自然选择机制，也就是那些在水中行动自如的生物通过世代积累不断提高它们的生存概率的机制，使得生物体呈现出现在的形态。 除了生物化学和进化论，还有其他视角可以用来研究生命的广度。然而，与其把它们一一列出，不如重点关注我们将要探索的方法。 正如我所提到的，本书的其余部分都是以生物物理学的视角来探讨的自然观。生物物理学意味着生物学和物理学的融合。它提出了一种概念，即构成生命的物质、形状和行为是受普遍物理定律支配和约束的，我们通过阐明物理规则和生物表现之间的联系，能够揭示一个丰富多彩的生命框架。物理学之所以具有实用性，正是因为其具有普遍性，这也是物理学的魅力所在。引力原理既适用于从树上掉下来的苹果，也适用于围绕太阳运行的行星。我们目前的工作目标就是要将生物物理学的范围进一步扩大，以涵盖量子世界的奇异行为。生物物理学将物理学对统一性的核心追求延伸到了生物世界。 这么说来，生物遵守物理定律看起来是理所当然的。毕竟生物体也是由构成其他一切物质的基本粒子组成的，因此理应遵循相同的规则。人们可能会认为，粒子在物理力的作用下形成原子和分子之后，物理学的明确作用就结束了，复杂的化学作用将进一步影响分子的重新排列，而细胞和生物体的特殊偏好则负责塑造更大尺度的特征。然而，这是不正确的。物理力既可以塑造冬季窗户上复杂的霜花分支纹理，也可以支配广阔沙漠上的有规律的沙丘外形，物理力的作用过程不需要从亚原子粒子层面进行解释。物理机制在所有的尺度上塑造了生命。物理学的伟大成就之一，是让我们理解了各种自然现象中产生的普遍规律，帮助人类扫清复杂的障碍以揭示深层的原理。这一点在过去的半个世纪尤其明显。例如，将磁铁加热到临界温度以上，它就会消磁。尽管磁铁是由许多不同的元素和合金制成的，每种元素和合金都有自己独特的原子结构，但每块磁铁的磁场在接近其临界温度时都会以完全相同的形式衰减。事实证明，无论原子的具体结构如何，由原子间相互作用形成的三维排列足以决定它们之间相互作用的结果。再举一个例子，假设在一个容器中装入各种不同的坚果，然后摇晃它。我们会发现，通常较大的坚果会集中到顶部，这就是众所周知的“巴西坚果效应”。当然，这种现象并不是坚果所特有的，它普遍发生在谷物、河床上的岩石，以及任何搅动着的、无序的物体的混合物中。要想解释这种现象，需要用到“颗粒流”这一概念，也要考虑到碰撞粒子集合为了移动所采取的创建和填充间隙的方式。 “主宰生活的科学之道”系列。 创造性地用4个物理原理揭示了复杂生命背后的统一性。从底层原理出发，破解生命密码，预测生命科学的发展趋势。 生物物理学领域最好读的科普读物之一。生物物理学领域已诞生46位诺贝尔奖得主，是当前最具前景的研究领域之一，被认为有可能掀起下一次科学革命。 生物学家叶盛作序推荐，西湖大学研究员、博士生导师边文杰，《从光子到神经元》作者菲利普·纳尔逊，《纳米与生命》作者索尼娅·孔特拉，《分子开关》作者罗伯·菲利普斯，《书签》杂志、《选择》杂志联袂推荐！ 湛庐文化出品。