生命是什么/周读书系

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1.经典物理学无法解释的持久性 借助于X射线的精密仪器（物理学家会记得，30 年前这种仪器曾揭示了晶体详细的原子晶格结构）， 在生物学家和物理学家的共同努力下，最近已成功地 把决定生物个体宏观特性的微观结构的尺度——“基 因的体积”——的上限降低了，并且降低到远远低于 第二章第9节得出的估计数。我们现在面临的严重问 题是：基因结构似乎只包含了很少量的原子（一般是 1000个，也可能还要少），可是它的奇迹般的持久不 变性却表现了最有规律的活动，如何从统计物理学的 观点来协调地解释这两方面的事实呢？ 让我再把这种令人惊讶的情况说得鲜明生动些。 哈布斯堡王朝的一些成员有一种很难看的下唇（哈布 斯堡唇）。在王室的赞助下，维也纳皇家科学院仔细 地研究了这种唇的遗传，并连同历史肖像一道发表了 ，证明这种特征是正常唇形的一个真正的孟德尔式的 “等位基因”。如果注意比较16世纪这个家族中某一 成员和他的活在19世纪的后裔的肖像，我们完全可以 有把握地说，决定这种畸形特征的物质性的基因结构 已经世代相传了几个世纪，而且每次细胞分裂都是忠 实地复制。尽管每一代的细胞分裂次数并不很多。此 外，这个基因结构所包含的原子数目很可能同前面由 X射线实验测得的原子数目是同一个数量级。在全过 程中基因处于华氏98度（36.67摄氏度）左右的温度 ，它能不受热运动的无序趋向的干扰保持了几个世纪 ，对此我们如何理解呢？ 19世纪末的一位物理学家，如果只打算根据他所 能解释的、真正理解的那些自然界的定律来解答这个 问题，肯定是一筹莫展的。在对统计力学的情况稍加 考虑后。他也许会做出回答（如我们将看到的，是正 确的回答）：这些物质结构只能是分子。因为关于这 些原子集合体的存在及其高度稳定性，当时的化学已 有了广泛的了解。不过这种了解是纯粹经验的，人们 对分子的性质还不了解——使分子保持一定形状的、 原子间强键的本质，对于当时的化学家来说，还完全 是个谜。所以，上面这个回答是正确的；可是它只是 把这种莫名其妙的生物学稳定性归结到同样莫名其妙 的化学稳定性，这是没有价值的。尽管证明了两种表 面上相似的特性系依据同一原理。但只要这个原理本 身是未知的，那证明就总是靠不住的。 2.可以用量子论来解释 对于这个问题，量子论提供了解释。根据现在的 了解，遗传机制是同量子论的基础密切有关的，不， 是建立在量子论的基础之上的。量子理论是马克斯· 普朗克①于1900年发现的。现代遗传学则可以从德弗 里斯、科伦斯和切尔玛克（1900年）重新发现孟德尔 的论文，以及德弗里斯关于突变的论文（1901～1903 年）的发表算起。因此，两大理论几乎是同时诞生的 ，而且它们两者一定要在相当成熟后才会发生联系， 这也是很自然的。在量子论方面，花了1／4世纪以上 的时间，直到1926～1927年W·海特勒（Heitler）和 F·伦敦（London）才给出化学键量子论的普遍原理 。海特勒一伦敦理论包含了量子论最新进展的最精细 而复杂的概念（称为“量子力学”或“波动力学”） 。对此，不用微积分的描述几乎是不可能的，或者至 少要写像本书一样的另一本小册子。不过，好在全部 工作现在都已完成了，这些工作可以用来澄清人们的 思想。看来已有可能更直截了当地指明“量子跃迁” 同突变之间的联系，并直接去搞清楚最主要的事情。 这就是我们在这里试图去做的。 3.量子论—不连续状态—量子跃迁 量子论的最大启示是在“大自然之书”里发现了 不连续性的特点，而原先的观点认为自然界中除了连 续性外全皆荒谬。 第一个例子是能量。经典理论中一个物体可以在 很大范围内连续地改变着它的能量。例如一个摆，它 的摆动由于空气的阻力逐渐缓慢下来。十分奇怪的是 ，量子论却证明了，具有原子这样大小的微观系统的 行为是不同的。根据无法在这里详细论述的那些理由 ，必须假定一个小的系统只能具有某种不连续的能量 ，这是它本身固有的性质，这种不连续能量称为能级 。从一种不连续状态转变为另一种，是一件相当神秘 的事情，人们通常称之为“量子跃迁”。 不过，能量并不是一个系统的惟一特征。再以摆 为例，设想它能够作各种运动。天花板上悬下的绳子 上挂一个重球，它能够在南北、东西或其他方向上摆 动，也能作圆形或椭圆形的摆动。用风箱轻轻地吹这 个球，便能使它从运动的一种状态连续地转变到任何 另一种状态。 但是对于微观系统来说，这些特征或类似的其他 特征——对此我们不能详细讨论了——的大多数都是 不连续地发生变化的。如同能量一样，它们是“量子 化”的。 这样的结果是什么呢？许多个原子核，包括围绕 它们的电子，当彼此靠拢形成“一个系统”时，是本 质上不可能任意选择一种假想构型的。可以选择的只 是大量的但不连续的“状态”系列。我们通常称这些 状态为能级，因为能量是特征中的十分重要的部分。 但是必须懂得，对状态的完整的描述，要包括能量以 外的更多的东西。正确的说法是，状态是系统中全部 粒子的一种确定的构型。 一种构型转变为另一种构型就是量子跃迁。如果 后一构型具有更大的能量（“处于较高的能级”）， 那么，外界要向这个系统提供不低于两个能级间的能 量差额的能量，才能使这种转变成为可能。当然，系 统也可以自发地变到较低的能级，通过辐射来消耗多 余的能量。 4.分子 在给定的一组原子的若干不连续状态中，不一定 有但其中可能有使原子核彼此紧密靠拢的最低能级。 在这种状态中，原子组成了分子。需要着重指出的是 ，分子必须具有一定的稳定性；除非外界供给它以“ 泵浦”到邻近的较高能级所需的能量差额，否则，构 型是不会改变的。因此，这种数量十分确定的能级差 定量地决定了分子的稳定程度。下面将会看到，这个 事实和量子论的基础本身——能级的不连续性——联 系得多么紧密。 请读者注意，上述观点已经被化学的实验事实彻 底地核查过了；而且在诸多方面已经被证明是成功的 ，例如在解释化学原子价的基本事实和关于分子结构 的许多细节方面，如结合能，不同温度下的稳定性等 。这里我是指海特勒-伦敦理论，如前所述，这个理 论在本书里是无法详细讨论的。 P44-48