跨界視閾下對生命本質(zhì)的追問：薛定諤《生命是什么》的科學思想與當代啟示
張長峰
國家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術研究中心 發(fā)育生物學博士、教授
1944年，量子力學奠基人之一埃爾溫?薛定諤（1887-1961）出版了《生命是什么？活細胞的物理觀》（What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell），這本僅百頁的小冊子日后成為了分子生物學這門連接微觀物理世界與宏觀生命現(xiàn)象的新學科誕生的重要的思想推手。
讓我們把目光回轉(zhuǎn)到上個世紀之初，彼時的物理學與生物學仍是“兩個隔絕的世界”。物理學家們還沉浸在剛剛?cè)〉猛黄菩赃M展的量子力學這一理論體系的輝煌中，他們更多地將生物學視為一種“描述性科學”，認為其缺乏精密的理論框架；而生物學家則堅守“生命特殊性”的認知，拒斥用物理規(guī)律的“還原論”來解讀生命現(xiàn)象。薛定諤闖入了這樣一片物理學與生物學交叉的“無人區(qū)”，他首次系統(tǒng)性打破20世紀物理學與生物學的學科隔閡，以“生命以負熵為生”“遺傳物質(zhì)為非周期性晶體”等觀點為理解生命本質(zhì)提供了全新視角。盡管書中未有精準預言DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，部分推測甚至與事實存在偏差，但其關于“遺傳物質(zhì)需要具備高信息密度與量子穩(wěn)定性”的方向性判斷，為分子生物學的誕生埋下了關鍵伏筆。但這部著作的意義遠不止于這些具體的科學貢獻，它更揭示了跨界思維的生命力，即當科學受困學科壁壘時，對“本質(zhì)問題”的追問往往能打破邊界，開辟新的認知疆域。
一、物理化學視角的生命追問
作為全書的開篇立論章節(jié)，薛定諤在《生命是什么》第一章“古典物理學家對這個主題的探討”中，并未直接展開具體假說，而是直面當時科學領域最核心的認知矛盾：在生命有機體內(nèi)發(fā)生的時空事件，能否用已知的物理學和化學規(guī)律解釋？這一問題的提出，直接擊穿了物理學與生物學之間的學科壁壘，為全書構(gòu)建了核心探索框架。
（一）學科割裂下的認知困境
20世紀上半葉，物理學已通過量子力學與統(tǒng)計力學構(gòu)建起微觀世界的理論體系，能夠精準描述原子能級與分子相互作用；而生物學仍處于“經(jīng)驗積累階段”——孟德爾遺傳定律雖被重新發(fā)現(xiàn)，但基因的物質(zhì)載體未知；達爾文進化論能解釋宏觀演化，卻無法闡明遺傳變異的微觀機制。這種學科割裂形成了荒誕的認知鴻溝：物理學家能計算原子的運動軌跡，卻無法解釋細胞的分裂增殖；生物學家能觀察遺傳性狀的傳遞，卻不能說明其物理本質(zhì)。
薛定諤尖銳地指出，這種割裂并非自然的本質(zhì)屬性，而是人類認知的局限。他在章節(jié)開篇即明確立場：“當前物理學和化學在解釋生命事件時的無能為力，絕不能成為懷疑這些事件可被物理化學規(guī)律解釋的理由。”這一論斷直接回應了當時生物學家對“物理還原論”的排斥，也糾正了物理學家將生物學視為“非精密科學”的偏見。
（二）生命現(xiàn)象的科學歸屬
圍繞核心問題，薛定諤進一步拆解出兩個子問題：一是生命有機體的活動是否遵循物理化學的基本定律？二是若遵循現(xiàn)有定律，為何生命能展現(xiàn)出遠超無生命物質(zhì)的復雜性與有序性？
針對第一個問題，他通過熱力學與量子力學的理論推演給出肯定答案：生命有機體的物質(zhì)組成與無生命物質(zhì)并無本質(zhì)差異，其分子間的相互作用仍遵循化學鍵理論與能量守恒定律。他特別強調(diào)，統(tǒng)計物理學的發(fā)展已為解釋生命這種“多分子系統(tǒng)”的行為提供了工具——不同于宏觀物體的確定性運動，生命現(xiàn)象的規(guī)律性可能隱藏在大量分子的統(tǒng)計行為中。
對于第二個問題，薛定諤并未給出完整答案，而是埋下全書的核心伏筆：生命的特殊性可能源于其“有序性的維持機制”，這種機制既不違背物理規(guī)律，又超越了無生命系統(tǒng)的自發(fā)過程。他暗示，解決這一矛盾需要結(jié)合熱力學熵增定律與量子力學的穩(wěn)定性原理，這為后續(xù)“負熵”假說與“非周期性晶體”猜想奠定了邏輯基礎。
薛定諤打破了“生命特殊論”與“物理萬能論”的二元對立，提出了“統(tǒng)一科學觀”：生命現(xiàn)象不是物理化學規(guī)律的例外，而是這些規(guī)律在復雜系統(tǒng)中的高階體現(xiàn)。這種視角既為物理學家指出了探索生命問題的可行性，也為生物學家提供了新的研究工具。
二、《生命是什么》的誕生背景與思想源流
（一）跨界思索的緣起
薛定諤對生命問題的關注并非偶然。青年時期他便對生物學有濃厚興趣，而20世紀30年代德爾布呂克等物理學家在生物學領域的初步探索，進一步激發(fā)了他的思考。更深刻的動因來自他對“科學統(tǒng)一性”的信仰——受叔本華哲學影響，他堅信“所有科學分支最終都指向?qū)τ钪姹举|(zhì)的理解”，生命作為宇宙中最復雜的存在，必然能被物理規(guī)律闡釋。
1938年，因母親的猶太血統(tǒng)，薛定諤面臨納粹德國的迫害，被迫離開奧地利。輾轉(zhuǎn)英國、美國后，他于1939年出任愛爾蘭都柏林高等研究院理論物理研究所所長。這段流亡經(jīng)歷中斷了他的常規(guī)物理研究，卻為跨界思考提供了契機。他在回憶錄《我的世界觀》（Mein Weltbild）中坦言：“遠離物理學的‘前沿競爭’讓我得以沉靜下來，開始深度思考那些更為根本的問題，比如生命與非生命的界限究竟在何處？”
（二）思想的凝結(jié)
1943年2月，在都柏林高等研究院與三一學院的聯(lián)合贊助下，薛定諤舉辦了為期六周的公開講座，主題為“生命是什么？活細胞的物理觀”。據(jù)1943年2月18日《愛爾蘭時報》報道，首場講座吸引了逾500人參與，聽眾包括物理學家沃爾夫?qū)?泡利、遺傳學家J.B.S.霍爾丹，以及哲學、社會學領域?qū)W者與普通市民，愛爾蘭總理愛蒙?德?瓦萊拉及其內(nèi)閣成員也出席了講座。
講座中，薛定諤圍繞“生命本質(zhì)” 提出三大核心問題，并初步闡述了關鍵觀點：以“負熵”解釋生命的有序性維持，以“非周期性晶體”推測遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以“涌現(xiàn)現(xiàn)象”解讀生命的“目的性”。這些觀點引發(fā)激烈爭議：生物學家質(zhì)疑“物理規(guī)律無法解釋細胞自主性”，物理學家認為“量子力學應用于生命是理論濫用”。對此，薛定諤回應：“科學的使命不是固守學科邊界，而是尋找解釋自然的普遍規(guī)律。若生命違背物理規(guī)律，那才是物理學的災難?！?/span>
1944年，劍橋大學出版社將講座內(nèi)容整理出版為《生命是什么》，全書共7章約10萬字。1947年再版時，薛定諤補充《意識與物質(zhì)》作為附錄，將討論延伸至意識統(tǒng)一性等哲學命題，使著作從科學探索升華為對生命本質(zhì)的全方位追問。
三、《生命是什么》的核心觀點與科學內(nèi)涵
（一）熱力學視角下的生命本質(zhì)
熱力學第二定律指出，孤立系統(tǒng)的熵（無序度）必然自發(fā)增加，最終達到熱力學平衡。但生命體始終維持低熵有序狀態(tài)，這一矛盾成為當時科學的謎題。薛定諤在第六章“有序、無序和熵”中提出“生命以負熵為生”的核心假說：生命體是開放系統(tǒng)，通過攝取環(huán)境中的“有序能量”（如食物、陽光）排出“無序能量”（如熱量、廢物），實現(xiàn)自身熵的減少。
他強調(diào)：“能量只是負熵的載體，生命真正‘渴望’的是有序性。我們吃食物不是為了獲取能量，而是為了利用其高度有序的分子結(jié)構(gòu)對抗自身熵增?！边@一觀點將生命維持的本質(zhì)從“能量獲取”升華為“有序性維系”。近年來多篇熱力學建模研究已證實：癌細胞會通過增強糖酵解（即瓦伯格效應）快速攝取能量，以此維持低熵狀態(tài)支撐無限增殖；而衰老細胞因線粒體功能衰退，負熵攝取能力下降，最終導致熵增與功能退化。例如2022年《Research Gate》刊載的論文便指出，癌細胞的熵產(chǎn)生速率顯著高于正常細胞，其代謝網(wǎng)絡正是通過非平衡態(tài)熱力學維持有序性，印證了薛定諤“生命是與熵增的永恒對抗” 的預見。
（二）遺傳物質(zhì)的物理本質(zhì)猜想
在第二章“遺傳機制”中，薛定諤通過X射線衍射數(shù)據(jù)估算：基因直徑約10納米、長度約100納米，如此微小的體積需儲存生命體發(fā)育的全部信息，這要求其具備極高的信息密度?；诖?，他提出“遺傳物質(zhì)為非周期性晶體”的猜想：非周期性晶體的優(yōu)勢在于原子排列無重復周期，如同文字序列可通過組合產(chǎn)生無限信息；原子間的化學鍵抵抗熱運動干擾，確保遺傳穩(wěn)定性；而罕見的“量子躍遷”可能導致基因突變，解釋了突變的低頻性與隨機性。1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，證實了DNA的脫氧核苷酸序列（A-T-C-G）呈非周期性排列，信息密度與薛定諤的計算吻合。且近年單分子實驗已驗證了基因突變的量子機制，如2014年《自然》的研究便發(fā)現(xiàn)，DNA堿基的互變異構(gòu)體（如烯醇式胸腺嘧啶）可通過量子隧穿效應形成，進而引發(fā)錯配突變，正是“量子躍遷導致突變”的具體體現(xiàn)。克里克在自傳《狂熱的追求》中坦言：“薛定諤的‘非周期性晶體’概念像一盞明燈，指引我們尋找基因的物理結(jié)構(gòu)?！?/span>
（三）“生命的目的性”與意識問題的哲學延伸
薛定諤在書中及附錄《意識與物質(zhì)》中，進一步探討了哲學層面的生命本質(zhì)問題。針對“生命的目的性”，他批判了“活力論”（超自然力量驅(qū)動）與“機械論”（物理化學簡單疊加），提出“中間道路”：生命的目的性（如胚胎發(fā)育定向性、生物趨利避害）是遺傳信息指導下的“涌現(xiàn)現(xiàn)象”，如同“蟻群復雜行為源于個體簡單規(guī)則，而非蟻群意識”。他以向日葵向光生長為例：“這并非植物‘渴望’陽光，而是基因指導下生長素分布不均導致的定向生長，完全符合物理化學規(guī)律?！标P于“意識的統(tǒng)一性”，他提出“自我之謎”：“為何感知到的世界是整體而非神經(jīng)元信號碎片？”他推測這可能與量子力學“非局域性”相關——大腦神經(jīng)元通過量子糾纏形成整體效應，整合神經(jīng)信號為統(tǒng)一意識。這一猜想雖未被證實，卻啟發(fā)了當代“量子意識理論”。2020年《物理評論快報》在關于微管量子特性的研究中報道，研究者通過低溫實驗發(fā)現(xiàn)，微管蛋白的π電子云可能形成量子疊加態(tài)，這一結(jié)果為量子相干參與神經(jīng)信號整合提供了支持。盡管該實驗未直接證明意識起源，卻首次在生物系統(tǒng)中觀測到與量子力學相關的長程有序現(xiàn)象，為其提供了初步證據(jù)。
（待續(xù)）
作者簡介：張長峰，1976年8月出生，湖北五峰人，土家族；博士、教授、國務院特殊津貼專家、山東省政府特殊津貼專家；山東省政協(xié)委員、民盟山東省委委員。國家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術研究中心（山東省商業(yè)集團有限公司）科技研發(fā)部部長、重點實驗室（山東商業(yè)職業(yè)技術學院）主任?？萍疾?、山東省科技廳入庫專家，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“科創(chuàng)中國”果蔬貯藏物流產(chǎn)業(yè)服務團副團長，全國物流標準化技術委員會第三屆冷鏈物流分技術委員會副主任委員，山東省人民政協(xié)理論研究會第四屆理事會理事。
國家“十二五”以來，連續(xù)承擔國家重點研發(fā)計劃項目課題8項；作為首位發(fā)明人獲發(fā)明專利15項；以第一或通訊作者發(fā)表SCI和EI收錄文章27篇；制定國家標準12項；出版專著4部；獲教育部科技進步一等獎、二等獎各1項、省政府科技進步二等獎1項等。立足本職工作，50余件建言被全國政協(xié)、中央統(tǒng)戰(zhàn)部、民盟中央和省委辦公廳采納，以及獲得省委省政府主要領導批示。多次獲民盟中央、民盟省委建言獻策突出貢獻獎； 2024年度山東省政協(xié)“履職優(yōu)秀委員”；2020年獲“省直機關最美職工”榮譽稱號。
