第七章 生命是以物理学定律为基础的吗
如果一个人从不自相矛盾的话，一定是因为他从来什么也不说。
——乌纳穆诺[38]
1．在有机体中可能有的新定律
根据前面的所有论述，尤其是关于生命物质的结构，我将在最后一章中说明物理学的普通定律是无法涵盖生命物质结构的工作方式的。这是因为迄今在物理实验室中研究过的任何一种物质都与生命物质的构造不同，而不是由于在生命有机体-内单个原子的行为之外是否存在一个“新的力”在支配着这一切。举个例子来说，在检查了一台电动机的构造之后，这个只对热引擎熟悉的工程师会发现它是按照一些工作原理在工作的，但这些原理对他来说完全还没有掌握。在这台电动机上，人人都很熟知的制锅用的铜，在他看来却成了铜线一匝匝绕成的线圈；更令他意外的是过去非常熟悉的汽缸的铁和制杠杆却镶嵌在那些铜线圈里。不过，在他眼里这是同样的铁和同样的铜，因而也必须遵循着同样的自然规律。对于这一点，他毫不怀疑。由于不同的构造，使得这些装置以一种截然不同的方式做功。尽管电动机不用蒸汽推动只需要按一下开关就可以运转起来，但是他丝毫不会怀疑电动机是由幽灵来驱使的。
2．生物学状况的评述
一种美妙的秩序性和规律性通过有机体的生命周期发生的事件显示出来，这种美妙性的完美是任何一种生命物质都无法企及的。一种高度有序的原子团严格地控制着生命有机体，尽管在每个细胞里它们只是原子总数中的很小一部分。更为重要的是，如果生殖细胞“支配性原子”集团中的很少一部分原子的位置发生移动，那么就可以使有机体的宏观遗传性状发生一个确定的改变；这一点根据前面我们已经得出的关于突变机制的观点就可以理性地推断出。
当代科学揭示的最让人感兴趣的事实莫过于此了。慢慢地，人们发现它们是可以接受的。一个有机体为了避免向原子混沌的衰退，于是在它自身上集中了“序的流束”。这种在合适的环境中“汲取序”的天赋也许与染色体分子的存在、“非周期性固体”有密切关系。毫无疑问，目前人们所知道的最高度有序的原子集合体就是这种固体了，它比普通的周期性晶体有更为高级的序，这是由于每个原子和基团在它的内部各自发挥着作用。
简而言之，现存的序维持自身和产生有序事件的能力已经向我们充分展示出来了。我们坚信这一点已经得到了证实，之所以这样是因为社会组织的经验和有机体活动的其他事件的经验向我们提供了无可辩驳的事实。
3．物理学状况的综述
总而言之，我们有一点是达成共识的，那就是这种事态对物理学家来说是“有道理的”，而且是倍受鼓舞的；而这源于它的首次出现和引人好奇。与普通人的一般信念相反，物理学的定律支配着这种事件的进程，虽然这样的进程是有规律的，但却不是原子高度有序的构型所产生的结果。类似的原子高度有序的构型在由大量相同分子组成的液体里、在周期性晶体里或气体那里经常出现。
化学家进行离体研究时，也会遇到非常复杂的大量分子。他利用现有的化学定律研究这些分子。在此过程中，他可能会告诉你，有一半分子在某个特殊反应开始1分钟后发生了变化，3/4的分子在2分钟以后起了反应。然而，如果化学家紧紧盯住某一个分子进行研究的话，要想预言这个分子是在没有起反应的分子中间还是在起了反应的分子中间，这显然是不可能的，因为这纯粹是一个机遇问题。
当然，这并不是一种纯理论性的推测；我们也并不否认可以观察到单个原子团或原子的运行规律。有时我们可以观察到单个分子或原子团的运行，但是观察到的都是一些完全无规律的图像，除非我们通过平均的方法才能摸清它们的规则性。我们曾经在第一章里举过一个例子，液体中悬浮微粒的布朗运动尽管是不规则的，但是如果还有其他很多同样的微粒，我们就可以从它们的不规则运动中发现有规则的扩散。
单个放射性原子的蜕变发射出一粒“子弹”在荧光屏上就会闪出一次可见的现象，因而它的蜕变是可以观察到的。然而，如果你得到了这个单个放射性原子，你将无法预测它的寿命，因为它可能的寿命甚至不能和一只麻雀相提并论。确实如此，关于这个问题，我们最后只能说：只要它活着，它在下一秒钟里毁灭的概率总是相同的，而不论其概率大小。尽管单个放射性原子丧失了个体决定性，但是精确的指数衰变规律还是适用于大量的同类放射性原子的。
4．明显的对比
在生物学中有一种完全不同的情况，然而我们必须要面对。一份拷贝的单个原子团就可以考察个体发育的最初阶段，而且这样的情况只存在于一份拷贝中；它产生了一些有序事件，在同环境之间以及相互之间遵从微妙的法则作出奇异的调整。因为还有诸如卵子和单细胞有机体这类的例子，所以我说只存在于一份拷贝中。高等生物发育后期的拷贝数目增加了很多，然而我们并不知道它增加的程度。我们知道，在成年哺乳动物中有的可达1014，相当于l立方英寸（1.6387×10-5立方米)空气中的分子数目的百万分之一。虽然数量非常大，但是最后聚集起来却只是一小滴液体。我们还可以看一看它们的实际分布方式，每一个细胞正好包容了这些拷贝中的一个。如此看来，这个小小的中央机关的权力隐含在一个个独立的细胞里，每个细胞就像是分布全身的地方政府的分支机构；它们通过共同密码的使用进行着便利的信息交流。
这的确是个难以置信的奇迹，不是出于科学家之手倒是有点像出自于诗人的手笔。然而，这只是需要明确合理的科学思考去认识现在正面对的事件，而不需要诗人的想象。与物理学的“概率机制”相比，它们有序地、规则地展开的“机制”是截然不同的。一份拷贝中的单个原子集合体之中蕴涵着指导细胞运行的规则，一桩桩高度有序的事件便源于此；这是我们目前观察到的事实。一个很小的原子团由于其高度的组织化最终能够以这种方式起作用，对于我们来说是一件新奇的事情，这是在生命活体以外的任何地方都还没有发生过的情况。对于物理学家和化学家们而言，无生命的物质是他们的研究对象，因此他们从来没有看到过用这种方式进行解释的现象。由于之前没有过类似的情况，因此我们的统计力学理论未曾涉及到它。现在我们通过统计力学理论看到了背后的东西，物理学定律的严格有序性从原子和分子的无序中推导出来；通过统计力学理论，我们推导出了熵增加定律而不需要专用的特殊的假设，因为熵只是分子自身的无序性而已，并非其他的什么东西。
5．产生序的两种方式
一般说来，有两种类型的序在生命的展开过程中可以随处遇到——一种是统计力学的机制，以“有序来自无序”为特征；另一种是最新发现的机制，以“有序来自有序“为特征。对于一个立场公正的普通人来说，第二个原理似乎更为简单、合理。这是毫无疑问的。基于上述的原因，物理学家们曾经非常赞成另一种方式，即“有序来自无序”的原理。这个原理在自然界中处处可见，而我们理解自然界事件的发展线索也必须从这个原理出发并进一步探求这种发展的不可逆转性。可是，我们并不能依据物理学定律很好地解释生命活体的行为，这与生命活体在很大程度上以“有序来自有序”的原理为基础密切相关。就像你不能奢求你的弹簧钥匙能打开你邻居家的门窗一样，你也不能期望两种截然不同的机制能推导出同一种定律。
从上文可知，我们可以凭借生命物质的结构解释生命现象，而不必对物理学的通常定律无法解释生命而感到沮丧。因此，我们应该作好准备去努力寻找在生命有机体中起支配作用的物理学定律。
6．新原理并不违背物理学
我们发现的新定律如果不是超物理学的，难道可以认为它是非物理学的定律吗？我本人并不这么认为。这个涉及的新原理不是别的原理，它也是真正的物理学原理。在我看来，它其实不过是量子论的再次重复。为了说明这一点，我觉得有必要对前文的全部物理学定律从统计力学的角度作一点补充和改进。
这个论断必然会引起一些争论，因为有很多现象都是直接以“有序来自有序”的原理为基础而作出解释的，并且这看起来似乎与分子无序性或统计力学没有一点关系。
一台时钟或者其他任何类似的机械装置，它们的有规则运动都与统计力学无关。所有对纯粹机械事件的解释都是从“有序来自有序”的原理而来的。平时我们所说的“机械的”事件或行为，更多的是从广义范围来使用这个名词。
马克斯·普朗克写过一篇题为《动力学型和统计力学型的定律》的小论文，与之对应的还有一篇德文版的论文《动力学和统计力学的合法性》。这两篇论文的区别正好就是我们在这里所说的“有序来自无序”和“有序来自有序”的区别。前一篇论文旨在表明控制微观事件的规律怎样构成控制宏观事件的统计力学型定律，而控制微观事件的规律就是控制单原子和单分子相互作用的“动力学”。后一类型规律性的例子，比如行星或时钟的运动等，属于宏观的机械现象。
因此，对于物理学家来说，“有序来自有序”这条了解生命的真正线索并不是新东西。普朗克甚至曾经论证过这条线索的优先权。那么我们是否就可以得出这样一个结论，认为了解生命的线索是建立在普朗克所说的“钟表装置”的基础之上抑或纯粹机械论的基础之上？我觉得这个结论是“不可全信”的，它既不可笑也不全错。
7．钟的运动
我们可以分析研究一台真实的时钟运动。它绝对不是一种单纯的机械现象。如果是一台纯粹机械的钟的话，那么它自身就没有必要安置发条，更不必上发条。运动在它那里开始以后，就将永远进行下去。而一台真实的钟，如果没有发条的话，由于它的机械能转化成了热能，于是摆动几下就不动了。针对这种运动，物理学家提出了一般的图像，不过他们必须承认相反过程是有可能的：依靠消耗环境的热能和自己的齿轮的热能，一台没有发条的钟可能突然开始走动了。“这是由于时钟本身经历了一次较为强烈的布朗运动所致”，在这种情况下，物理学家们通常都这么认为。发现这类事情只需要使用一种非常灵敏的扭力天平，这是我们在前文第一章第9节里讲到的；然而对于时钟来说却是不可能的事情。
那么，动力学型或统计力学型的合法事件到底能不能包含一台时钟的运动呢？这在很大程度上取决于我们的态度。要想使钟走动，一根比较松的发条就可以做到，而这根发条需要克服的热运动干扰本身是很小的，所以可以忽略不计；这个时候我们注意的是有规则的运动，我们可以称它为一种动力学现象。然而，如果没有发条的时钟由于摩擦阻力的存在而渐渐地停摆，那么这种过程我们就可以理解为一种统计力学现象。
时钟的热效应和摩擦效应在现实环境中来看是多么地微不足道，尽管如此，没有忽视这些效应的第二种看法更为基本，这是毫无疑问的。即便眼前就是一只用发条开动的时钟的规则运动，上面的观点也是成立的。这是由于认为时钟开动的机制和过程与统计力学的性质没有任何关系的观点是荒谬不可信的。当然，包括摩擦和热的真实的物理学图像中不排除这样的可能性：通过消耗环境中的热能，一台正常运行的时钟可以立刻使它的运动逆转回去，重新上紧自己的发条，向后倒退地工作等。同没有发动装置的“布朗运动大发作”的时钟相比，这种事件与它是没有什么差别的。
8．钟表装置毕竟是统计学的
回顾一下，对于那些不适用分子统计力学原理的事例，我们可以用分析过的“简单”例子来代表。由实在的物理学的物质构成真正的钟表装置，并不是我们所认为的那种“钟表式工作”。概率的因素可能不会很多，突然之间时钟全然走错的可能性也许很小，不过它们毕竟是存在的，始终保留在统计的背景之中。即便是在天体运行中，热和摩擦的不可逆影响也是有可能存在的。例如，地球的旋转逐渐变慢，接着是月球慢慢地远离地球，这些都是由于潮汐的摩擦作用所致；但是如果地球是一个刚性旋转球体的话，那情况就完全与之不同了。
实际上，“有序来自有序”的特点，是“物理学钟表式工作”所带给人们的根深蒂固的观念。物理学家也正是在这种情况下，遇到这样的特征时便倍加受到鼓舞。表面看起来，确实有某些共同之处存在于两者之间。然而，它们之间的共同点到底是什么，使得有机体变得与众不同而前所未有的差别因素究竟是什么样的，这一系列的问题需要我们进一步探究。
9．能斯特定理
作为原子的任何一种集合，一个物理学系统“钟表式工作的特点”或“动力学的定律”什么时候才能得以在其上显示出来呢？对于这样的一个问题，量子论给出了一个言简意赅的回答，那就是在绝对零度的时候。分子的无序性在接近绝对零度的条件下已经对物理学事件不会有任何作用或影响了。不过，这个规律并不是通过理论研究发现的，而是广泛地进行了在一定温度下的化学反应研究作出的结论，进而把这个结论推演到绝对零度（绝对零度实际上是达不到的）。这便是沃尔塞-·能斯特[39] 的著名“热定理”，我们也将其称为“热力学第三定律”。因为在它之前，已经有了第一定律和第二定律，它们分别是能量原理和熵原理。
能斯特的经验定律，由于有了量子论的理性“基础”支持，所以我们还可以从它那里估计出，为了表现出一种接近于“动力学”的行为，一个系统必须以什么样的程度接近绝对零度。如果可以的话，系统的温度怎样才能等同于绝对零度，这需要什么样的条件呢？
但是，千万不要误解，以为这样的温度必须是极低的低温。实际上，许多化学反应即使在室温下，其中熵所起的作用也是微乎其微的。正是有这样的事实情况存在，能斯特便从其中发现了“热定律”。
10．钟摆实际上可看做在绝对零度下工作
室温对于一台钟摆来说，它基本上与绝对零度差不多。因此，对于它的“动力学式”工作，我们也就不足为奇了。即便是把钟摆降温，不断冷却，它还是会继续地摆动。当然它上面有很多油渍的话，这种情况例外。然而，我们给钟摆加热，如果超过室温的话，它就会慢慢熔化，就不能再继续工作下去了。
11．有机体与钟表装置之间的关系
尽管这个问题不是很重要，但是我觉得它可以反映问题的实质。钟表装置是由固体构成的，这些固体由于海特勒—伦敦力的存在可以保持一定的形状。这种力在常温的状态下，可以有效地避免热运动的无序趋向。于是，这便保证了钟表装置能够“动力学式”地工作。
了解了钟摆的“动力学式“工作，我们现在可以说说它们之间的相似点了。有机体联系着构成遗传物质的非周期晶体，正是由于这种物质的存在，使得有机体可以摆脱热运动的无序。因此，染色体纤维被我称为“有机体的机器齿轮”，虽然这样的比喻没有深奥的物理学理论，但是却很形象易懂。
这种被我称为“有机体的机器齿轮”的最显著特点是：第一，一个多细胞有机体以奇妙的方式包含着这种齿轮，关于这一点读者可以在本章第4节中找到我曾经对之作过的诗一般的描述；其次，这种单个的齿轮是量子力学中最为精致的杰作，在这之前是从来没有过的，并非一般的粗糙的人工制品。
事实上，我们不费气力就可以说清楚两者之间的差别，还可以证明它们两者的相似性在生物学中的独一无二以及由此引起的世人的惊叹。