薛丁格的大哉問:生命是什麼?

生物學在講甚麼?–周成功老師的探索筆記 (1)

生物學-1-1

圖1-1 奧地利人深以薛丁格為榮,特別將他的肖像印在他們1000 奧地利先令(約值2500 台幣)的紙鈔上。

歐文薛丁格(Erwin Schrodinger)1887年出生於奧地利的維也納( 圖1-1)。1926 年他提出一系列波動方程式的論文,奠定了量子力學的基礎,在 1933 年獲得諾貝爾物理獎。這樣一位偉大的物理學家對生物學會有什麼深刻的看法?他又如何影響現代生物學特別是分子生物學的發展?要回答這二個問題,我們就必須把時空拉回到 1943 年愛爾蘭的首府都柏林。

二次大戰初,奧地利被納粹德國兼併,大批奧地利的精英紛紛逃離。薛丁格被愛爾蘭的首相邀請到首府都柏林成立高等研究院。1943 年 2 月 5 日,他在都柏林的三一學院發表了一個系列的公開演講。在二次大戰最高峰之際,在一所 350 年歷史的古老大學裡,面對包括愛爾蘭的首相在內的 400 位聽眾,薛丁格在他的演講中只討論了一個主題:生命是什麼?一年之後,這次演講的內容由劍橋大學出版社集結成書出版。書名就是:生命是什麼?副標:活細胞的物理面向。

薛丁格對生命的運作提出了兩項他的困惑,第一是最簡單的生命型式都有極度複雜的結構。但是物理學家奉為金規玉律的熱力學第二定律告訴我們:高度秩序的結構必然會自動瓦解而趨向最大亂度(熵)。那麼生命複雜的結構如何可能維持而不致崩壞?如果你仍然不瞭解上面這段話的意思,想想你的房間,是不是自動地會從整潔走向髒亂,那是一個標準遵循熱力學第二定律的範例!

生命為什麼可以違反熱力學第二定律,穩定地維持其複雜的結構?薛丁格提出了一個看法,他猜想維持生命需要不斷地吃進食物,那麼食物中一定含有一種負熵的東西,可以讓生命中的亂度不會增加。今天我們知道這個想法是百分之百的錯誤,熱力學第三定律告訴我們,完美晶體在絕對溫度為零時,它的亂度為零。因此世界上沒有負熵這樣的東西。

過去科學家的研究讓我們瞭解,生命必須不斷地從外界取得能量(食物或是陽光)和材料(食物、空氣和水),在體內進行新陳代謝來維持生命的結構。但是在進行新陳代謝反應的同時,必然會釋放熱到環境中,使環境的溫度增加,導致環境亂度的增加。所以生命內在的運作,加上環境的改變,整體的亂度還是增加的。因此我們可以說維持生命的秩序是以增加環境的亂度作為代價!生命仍然是遵循熱力學第二定律的規範在運作。我們可以用另外一個比喻來解釋生命的結構與亂度的關係,想想你怎麼維持家裡的整潔?你必須花力氣打掃,打掃出來的垃圾怎麼處理?不就是丟到外面嗎!所以同樣的道理:維持家裡的整潔是以增加環境的亂度作為代價!

薛丁格對生命的第二個困惑是每個生命都擁有龐大、可以世代相傳的遺傳資訊,這些遺傳資訊決定了每一個生命個體精密複雜的結構和功能。但這個龐大的遺傳資訊,在世代相傳的過程中如何精準地複製而不致出錯?薛丁格當時已經知道生命的特徵和運作是由基因在決定、操控。但基因究竟是什麼?當時大多數人還認為基因是蛋白質。進一步問基因裡的遺傳資訊如何複製?那就更是一無所知了!薛丁格對這個問題解答的猜測,倒是與我們今天的瞭解有幾分神似。

他首先推測基因可能是一種非週期性的晶體結構。這個想法其實就已經假設生命是用原本的基因作為模板來複製新的基因。因為晶體的成長就是以原來的晶體為模板,一層一層形成和原來晶體完全相同的結構。為什麼是非週期性呢?因為週期性的結構所能承載的資訊極為有限,所以必須是非週期性,這樣資訊的數量才能應付生命的需求。薛丁格另外認為儲存在基因裡的遺傳資訊,應該是由一種特定的腳本語言或是密碼所構成。

生物學-1-2

圖1-2 雙股DNA 以A-T;G-C 的特定配對緊密纏繞成雙螺旋結構。當DNA 要複製時,雙股打 開,各自一股DNA 作為模版,精確地複製與之互補配對的另一股DNA。而遺傳資訊就是 單股DNA 上連續的鹼基序列。

薛丁格發表演講的同年,美國生化學家 Avery 和他的同事共同發現,細胞裡的 DNA 才是攜帶遺傳資訊的物質。換言之,基因是由 DNA 而非蛋白質所組成。10 年之後,1953 年兩位年青科學家,華生和克瑞克 (Watson & Crick),在劍橋大學發現 DNA 的雙螺旋結構。立刻確定了 DNA 複製的原理:雙股 DNA 打開後,各自一股的 DNA 都可作為模版,再精確地複製與之互補配對的另一股 DNA。而遺傳資訊就是單股 DNA 上連續的鹼基序列(圖1-2)。

薛丁格的演講透過《生命是什麼?》這本小書影響了一個世代的年青學子。他非常清楚地告訴我們:生命現象的運作,必須以物理、化學的原理為依歸。雖然他試圖在生命系統發現新的物理定律的嘗試完全失敗。但他提出的問題與挑戰,鼓舞了年青學子探究生命奧秘的熱情,同時也指引出一個正確的研究大方向。

1993 年,發現 DNA 結構的華生教授,在美國冷泉港研究所慶祝 DNA 結構發現 40 年時,回顧說:「我回到芝加哥大學,偶然看到由理論物理學家薛丁格寫的一本小書《生命是什麼?》,在這本小書中,薛丁格宣稱維持生命運作最重要的是基因。那時候,我最有興趣的是鳥類。於是我開始思索:如果基因是生命運作最重要的部分,那麼我應該得多知道一些它的細節。那真是個命運的轉變!因為若非如此,我可能一輩子都在研究鳥類,當然也就沒有人會聽過我的名字了!」

 

參考讀物

1. 代序: 大一普通生物學究竟該教些什麼?  http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32872

2. Erwin Schrodinger What is life? The Physical Aspect of the Living Cell. 1944 ( 中文翻譯本:薛丁格生命物理學講義:生命是什麼?:貓頭鷹出版社 2016/04/30)

3. Hussey K. Schrodinger’s Contributions to Molecular Biology Dartmouth Undergraduate Journal of Science Volume IV, Number 2, Winter 2002.

4. M. Perutz‘What is Life?’Fiction, Not Science. The Scientist April 1987 Issue

 

補充
生物學-1-補充熵可視為一個系統混亂的狀態。奧地利物理學家波茲曼(Ludwig Boltzmann)對熵提出了一個微觀解釋,假設W 代表一個物理系統中所有可能狀態的數目(包括系統中每個分子的運動速度、位置、等等),那麼該宏觀狀態的「熵」
S= klogW k 是波茲曼常數。由這個公式我們可以推論,當溫度在絕對零度時,所有分子運動都停止,系統可能狀態的數目只有一個,那這時候的熵就是零 (log1 = 0) 由於系統可能狀態的數目不可能小於1,因此就不可能有負熵的存在。波茲曼死後,葬在維也納的市民公墓(墓園中還有貝多芬、莫札特等人的墓,是一個重要的觀光景點)。他的墓碑上就刻著這一行公式,彰顯他對人類文明最重要的貢獻。

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1 Response

  1. Jwu-Ting Chen 說道:

    原作補充
    熵可視為一個系統混亂的狀態。奧地利物理學家波茲曼(Ludwig Boltzmann)
    對熵提出了一個微觀解釋,假設W 代表一個物理系統中所有可能狀態的數目
    (包括系統中每個分子的運動速度、位置、等等),那麼該宏觀狀態的「熵」
    S= klogW k 是波茲曼常數。由這個公式我們可以推論,當溫度在絕對零度
    時,所有分子運動都停止,系統可能狀態的數目只有一個,那這時候的熵就是
    零 (log1 = 0) 由於系統可能狀態的數目不可能小於1,因此就不可能有負熵的存
    在。波茲曼死後,葬在維也納的市民公墓(墓園中還有貝多芬、莫札特等人的
    墓,是一個重要的觀光景點)。他的墓碑上就刻著這一行公式,彰顯他對人類
    文明最重要的貢獻。

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