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1、生 命 是 什 么？ 读生命是什么有感,-若水沉心 2011年3月,What is life ,这是一个亘古变不变的哲学话题和科学命题，多少代的人都试图解答和完善这个命题，但直到现在仍然不能解开其全部奥秘。后期转向生命科学领域的物理学薛定谔是如何解答这个命题的呢。,What is life ?,一个小孩的思考,作者介绍,埃尔温薛定谔(Erwin Schrodinger)，1887年1961年，奥地利理论物理学家，量子力学的奠基人之一，在固体的比热、统计热力学、分子生物学等方面也做了大量的工作。最重要的成就是创立了波动力学，提出着名的薛定谔方程。并且于1926年证明自己的波动力学是与海森堡、玻恩
2、和约当所创立的矩阵力学在数学上是等价的。与英国物理学家狄拉克一起获得1933年诺贝尔物理学奖。,好多物理单位和方程啊！,Some famous aspects about him,1.薛定谔方程 2.生命是什么在生命科学上的影响 3.薛定谔的猫（Erwin Schrodingers Cat） 4.薛定谔与爱因斯坦和哥本哈根学派的争论,薛定谔方程,生命科学方面的影响力,在20世纪40年代和50年代，薛定谔的生物学 观点具有很大的影响，尤其对年轻的物理学家影响 更大，他将一些物理学家引入到一个科学研究的新 的前沿，推动他们转入生物学的新领域，去探索物理 学的新定律自从薛定谔的生命是什么一书在 19
3、44年出版后，到1983年历经40年间，这本书在西 方世界各国重印了12版之多他的这本书成为当时 分子遗传学的“结构学派”(应用物理化学定律来研 究生命物质的分子结构)的纲领，为DNA双螺旋结 构的发现者们提供了强有力的思想武器，因此有人称他是生命科学的先驱。,20世纪终末期后，很多科学家转向生命科学的研究，为什么呢？,薛定谔的生命是什么 查加夫碱基配对规则 威尔金斯提供实验证据 富兰克林的X衍射图,诺贝尔奖的遗憾,薛定谔的猫,Live or not live ? This is a question!,一起来窥视书中的奥秘吧。,薛定谔的生命是什么这本小册子在生物学界极富盛名，被称为“分子生物
4、学中的汤姆叔叔的小屋”许多著名的生物学家如：沃森，克里克，霍尔丹，威尔金斯等都提到受过这本书的影响。,全书主要谈了三个问题： 1.从信息学的角度（尽管那时候信息论还没有诞生），提出大分子非周期固体作为遗传物质的模型 2.从量子力学的角度论证了基因的持久性和遗传模式长期稳定的可能性 3.提出了生命是“以负熵为生”，从环境中抽取“序”来维持系统的组织的概念，这是生命的热力学基础。,第一章:经典物理学家走近这个主题,提出了生命规律与统计力学的差异： 组成生命物质和非生命物质的原子排列和作用方式有本质上的差异，构成物质的原子遵从原子统计学规律，少数原子因为热力学运动而是随机分散无序运动的，但是生命的机
5、制是个高度统一的有序体，那么它必然是有大量的统计学上原子构成，即生命的精确性是以大量原子介入为基础的。 三个例子：第一个 顺磁性（郎之万) 第二个 布朗运动（细菌能感知量子力学？） 第三个测不准定律 n律问题 热力学颠簸,关于测不准定律的重新认识,衡量尺度问题（量论和相对论）,10-10 m,1 m,1010 m,第二章：遗传机制,薛定谔提出了遗传物质应该是一种：非周期性晶体 他指出：“在物理学上迄今我们只涉及到周期性的晶体与非周期性的晶体相比，它们是既比较简单又比较呆滞” 这个描述已经接近遗传物质的特点了。 非周期性：由于它的非周期性蕴涵着分子排列的多样性，这就意味着遗传物质包含了大量丰富的
6、遗传信息 晶体：具有晶格结构，所有的原子或分子都与周围的原子或分子连接在一起，所以相当稳定,DNA 晶体衍射图，生命是如此的对称和美妙！,薛定谔对遗传物质的构想已经接近上帝之手了，但可惜他还是倾向于遗传物质是蛋白质，这是为什么呢？,关于“基因”尺度的问题： 薛定谔提出了两种算法：遗传学实验和细胞学试验，粗略的算出基因的相当于200个原子组成的立方体，则基因的原子数目不会超过200的立方，因为根据统计学n律，要遵循一般物理学的有序和规律性（实际上生命体的有序性更高），这几百万的原子数目显然太少了（100万的精确性是千分之一）据此薛定谔把遗传物质的可能性倾向分子量（原子数相对比较大）比较大的蛋白质
7、上。 这也是为什么历史上曾经主流的科学家认为蛋白质是遗传物质的原因之一。,蛋白质的结构模型,我们现在已知遗传物质是DNA分子，而且按照2000年4月人类基因组计划测序的结果，果蝇基因的平均长度为10kb(1kb表示1000个碱基对) 如果把螺旋的体积简化为一个圆柱体的体积来计算，则可以算出果蝇基因的平均体积约为107(10nm)3 ，比薛定谔的计算值还小25倍，那基因的稳定性怎么保证呢？,第三章：突变：,薛定谔指出遗传特性的突变是由于基因的突变造成的他在第三章的“突变物种完美地繁殖纯种，是完美的遗传”一节中说：“突变必定是在遗传的珍藏中有一种改变，而且必须用遗传物质的一些改变来说明他还认为染色
8、体上一些相同原子的不同构型的分子(即同分异构分子)表示不同的基因在染色体上在不同的排列中由相同原子构成的分子，它将表示在同一地点的不同的等位基因，而量子跳跃将表示突变并用X射线诱发突变阐述了突变的量子式，并提出了密码本学说（和现在的密码子非常接近）,现代分子学已经证明了薛定谔的突变论：即外在能量造成原子的跃迁，发生化学键的断裂和重组，引起分子的改变，宏观上导致形状的的改变，引起物种的进化。,第四章 ：量子力学的证据：,薛定谔超时空的认识到基因包含原子的下限是1000个，这在热力学上是太不稳定了，薛定谔认为传统的物理学无法解释基因的稳定性和持久性，因而引入了量子力学解释，认为生命大分子是一种处于
9、最低能态和构型，除非外界给予它以“泵浦”，它才会改变构型，并引用了海特勒-伦敦的理论加以修正，并认为突变就是量子跃迁造成的。,共价键 杂化轨道 电子云最大重叠 组成生命的位置基础生物大分子不同于 无生命的一堆无序原子，它在热力学上是 稳定的,他把染色体看作“沿着上帝的量子力学路线完成的最精美的杰作”假设“突变实际上是由于基因分子中的量子跃迁所引起的”(或者说乃由分子内若干原子的位置之不连续变化所致)。,量子力学证据的两个修正（太难了）,第五章：对德尔勃克模型的谈论和检验: 晶体原子模型,提出：分子=固体=晶体 气体=液体=无定形固体 分子式有原子固化形成的 稳定结构，提出了遗传物质 是比晶体具
10、有更稳定的 “非周期性晶体”，是一种“染色 纤维丝”，这已经接近“上帝之手” 这章薛定谔还提出了密码本和操纵因子（莫尔斯密码）,第六章：有序，无序和熵（很神奇！）,有序和无序是统计物理学对组成物质粒子的混乱程度的描述。 对热力学第二定律，克劳修斯表述为：“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。”而开尔文表述是：“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。” 根据热力学第二定律，在封闭系统中，随着时间的推移无序性将增加，物体趋于平衡，走向湮灭和死寂。 生命系统是开放系统，可以通过获取能量开维持系统的有序性。薛定谔早就认识这个神奇的定律,生活中的例子,玻尔兹曼把熵
11、定义为物质系统内分子的无序程度；即熵正比于分子之无序度的对数。而热力学第二定律说明：孤立系统(与外界无物质、能量交换的系统)里发生的自然过程总是沿着熵增加的方向进行，那末该自然过程中分子的空问状态就从有序转向无序。 数学函数描述就是：熵=KlnD(k是玻尔兹曼常数，D是无序度） 这个公式是如此的悲观！,热力学第二定律又叫熵增加定律 绝对温度下熵趋近0，而自发进行的过程熵不断增加，直到物质死寂，湮灭！生命亦是如此！,系统的熵在不可逆绝热过程中单调增大，这就是熵增加原理。它预示着宇宙从有序到无序最终热寂的命运。 我认为这从物理学上显示出人性悲观的哲学，大家出来混，都要还的！从某种程度上说，乞丐和国
12、王是平等的，众生平等，人要开心的过完一辈子！,但是薛定谔不这么认为，他只是把公式稍微做个变换，奇迹竟然发生了！,假如D是无序性的量度，它的倒数1/D是一个直接量度。方程式做一个简单的变换可以写成这样：负熵=Kln(1/D) 第一：生命是一个高度有序的生命过程， 第二：生命是一个开放有能量和物质交换的系统 因此薛定谔提出生命是以负熵为生的（生命体从外界环境中汲取负熵为生）,新陈代谢的熵的意义,有机体从环境吸收的养料是低熵物质(有序程度高)，排出的废物是高熵物质(有序程度低)，净收入的便是负熵，以抵偿机体本身的熵增；从而保持甚至提高机体及其生命运动的有序程序，以促使机体生长、发育和健全地生存。 熵
13、的扩展：系统生物学的发展认为，能量信息的转换也是熵变的一种。,有机物，无机物 负熵,能量 信息 负熵,排泄物 （正熵）,三管齐下，共同抵消生命过程的熵增加，维持生命活动,熵在生命热力学上的应用广泛,生命趋向形成有序的生物大分子来形成其规律化的功能 所以低熵态是生物大分子形成的方向，这需要“力”的驱动。,蛋白质折叠的“滑雪”模型,第七章:生命是以物理学为基础的吗,“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” 薛定谔很多假设推理都是从纯粹物理学角度上来解释的，但是他同样认识到有很多东西解释不了或者自相矛盾，就像关于生命科学的还原论和活力论之争一样，即使现在也没有一个很好的理论来统一
14、两者。,人类对生命现象的认识,了解整个生命现象的本质 仍然是零敲碎打研究策略 （ piece meal ）,驱动两者的力是否相同？,薛定谔认为在生命展开过程中遇到的序有不同的来源。一般说来，有序来自无序，因为组成物质的单个粒子因为热力学的震荡是不确定性的，是无序的，而大量的粒子宏观上则变现为有规律性的和有序的，这在物理学上是普遍存在的。（有序是以无序为基础的） 但是在生命体中，情况却不一样。,薛定谔认为在高度有序的生命体内，即使少量原子组成的生物分子也是有序的，而分子有序性正体现生命严格的有序和规律性。所以第二种情况是有序来自有序,无序性 有序性,即使下限只有1000个原子的基因也变现严格的有
15、序性：,AT和GC碱基对的配对性质,关于氢键在碱基上形成的位置的问题,分子生物学杨荣武版P20页倒数第十行说“在碱基上形成氢键的位置为嘌呤的1位对嘧啶的1位；嘌呤的6位对嘧啶的6位”这句话值得商榷？,DNA双螺旋结构的特征：,那么这么少的原子怎么构成稳定呢？,以DNA为例。 首先，原子构成分子需要共价键和杂化形成电子云的最大重叠，是分子处于稳定体系，其次分子与分子相连构成能量的稳定性，如嘧啶和嘌呤配一大一小互补配对减少空间位阻，再者碱基之间的氢键和碱基堆积力共同构成了DNA的稳定性 碱基堆积作用力即疏水作用力和范德华力 生命之力是如此奇妙,薛定谔认为生命体中的奥秘不能完全用物理学知识来解释，至
16、少不能用已知的物理学来说明，并认为驱动生命力还有新的规律，这等待后人去发掘。,总结,即使在生命科学尤其是分子生物学发展到今天的水平，我们仍然不能窥视到所有的生命奥秘，知识是个圆圈，我们的知识面越广，那么这个原的半径就越大，它于外界未知的接触面 就越多，我们不知道的也就越多！,why,Why why,Why Why why Why Why why,Why why why why Why why why why why Why why why why why Why why why why why Why why why why why Why why why why why why,谢 谢,水 灵 风 清,
