生命是什么—物理学的考虑

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医学与哲学2005年6月第26卷第6期总第2期生命是什么:一个基于新物理学原理的回答

陈黎明①　柴立和①

摘要:生命本质问题是生物学、哲学、物理学等各领域科学工作者共同关心的问题。回顾人们对生命本质问题的认识历程,

依据一个新的物理学原理(最大流原理),尝试给出生命的新定义。关键词:生命本质;最大流原理;物理学中图分类号:B028　　文献标识码:A　　文章编号:1002-0772(2005)06-0016-03

WhatisLife:ananswerbasedonthenewphysicalprinciple　CHENLi2ming,CHAILi2he.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China

Abstract:Abstract:Theessenceoflifeisanimportantproblemthatmanyscientistssuchasbiologists,philosophersandphysicistssharesameinterests.Toreviewthehistoricalunderstandingontheessenceoflifeatfirst.Basedonanewphysicalprinciple-Max2imumFluxPrinciple,wethenhavemadeanefforttogiveanewtentativedefinitiononlife.KeyWords:theessenceoflife;MaximumFluxPrinciple;physics

　　生命是什么?生命是如何起源的?我们是否能够自由创造生命?这些问题是人类自古以来探讨的中心问题之一。对于这些问题,人们已经提出了各种各样的猜测、解释和观点,它们极大地拓展了人类对生命本质的认识。然而,到目前为止,依然没有人能够明确地给出生命本质的准确回答。生命本质问题是生物学、哲学、物理学等各领域科学工作者共同关心的问题。本文首先简要回顾了前人对生命本质问题的认识历程,然后依据一个新的物理学原理(最大流原理),尝试给出生命的新定义。1　20世纪之前的认识

从远古一直到近代,神创论或是特创论一直占据主导地位。在西方,圣经中认为万物是由上帝创造的。在近代,还原论者试图将生命运动形式还原成物理-化动形式,用物理-化动规律取代生命运动规律;活力论者主张由特殊的非物质因素支配生物体活动,坚持认为生命与非生命之间有本质的区别。法国哲学家勒内・笛卡尔认为动物是机器,一种非常复杂的机器,不过只是大体上可与人造机器相比,它的活动受物理学定律支配。而1748年,茹利安・拉・美特利(JuliendelaMettrie)爵士提出人是机器的学说,以反对笛卡尔关于动物是机器的学说[1]。2　20世纪的探索

20世纪以来,生命和物理逐渐结合,并逐渐达到一个新的高峰。玻尔的互补原理、贝塔朗菲的机体论、薛定谔的负熵论、玻姆的隐含序理论、海森堡的量子宇宙学说、普利高津的耗散结构理论、艾根的超循环论和关于复杂性科学的理论等是生命研究史上的重要里程碑。

玻尔在提出量子力学的互补原理后就将其推广用于讨论生命现象亦所未免的不确定性。他指出,在生命研究中也存在两难局面:要探究生物体的生命本质,须将生物体分解成各个组分的化学系统;但既然分解了,

①天津大学环境科学与工程学院　天津　300072

生物体就不能活、不成其为生命系统了。这里便涉及对

生命研究的两个层面:从微观上研究生物分子的结构和内部相互作用、乃至自组织形态等;从宏观上研究生物体整体的功能、活动规律以及与环境的关系等。前者着重于分解、还原,考察生物分子运动的物理-化学机制;后者致力于描绘生命系统的活性,抑或生机、活力。

贝塔朗菲根据生命有机体的等级秩序、逐渐分异与逐渐集中化、均等潜能与等终局性、动态有序、远离平衡态的开放系统、自我调整、节律-自动活动等特征,提出了机体论的基本原理:整体原理(组织原理)、动态原理、自主原理。

[1]

在此基础上,贝塔朗菲后来提出了一般系统论。

薛定谔的名著《生命是什么》,开创了物理和生物结合的新的里程碑[2]。他从信息学的角度提出了遗传密码的概念;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;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。他的遗传密码的概念最终被DNA的发现所证实。薛定

[2]

谔认为理解生命的本质需要新的物理定律。耗散结构理论是普利高津1969年在”理论物理与生物学”国际会议上发表的”耗散结构和生命”的论文中提出的。普里高津根据自己创立的耗散结构理论探讨了生命的本质[3]。但是耗散结构理论难以解释生命系统的复杂性和层次性。更于重要的是,耗散结构理论没有体现生命复制的概念,而复制机制在生命系统中是必不可少的。复制需要“模板”。复制“模板”主要有两个作用,一是自我复制和引导复杂系统的形成,二是进化。

艾根的超循环论探讨了生命起源问题,通过超循环在无生命世界和生命世界之间架起了桥梁。他以博弈论、概率论说明超循环结构起源,以唯相微分方程组建立超循环结构选择动力学的数学模型,以化学热力学讨论超循环结构和分子拟种在竞争过程中的前途和稳定解的存在;以非平衡态热力学描述新的选择信息的产生;以经典信息论为基础推断超循环结构的最大信息容

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医学与哲学2005年6月第26卷第6期总第2期

量及系统结构与选择价值的定量关系等等[4]。艾根试图说明从无生命到生命过程长链条的一个环节,但仍然有许多问题有待探讨。

美国著名科学家马古利斯和她的儿子萨根在其新著《倾斜的真理-论盖娅、共生和进化》中提出了盖娅假说-地球是一个自主调节的巨大的有机体。地球上的亿万种生物共同协同运作构成一个超级有机体。这个超级有机体通过各种不同的微生物之间的相互作用形成共生联盟而共同演化。地球上的生命不仅仅被动地

[5]

适应环境,而是主动地改造环境。

为了从理论上研究生命,SFI学派注意到了模板和进化在复杂系统上的重要性。如Holland的遗传算法;Lang2ton的人工生命都引入了模板和进化的概念。但是并没有从严格的理论基础上给出复制模板的数学表达。考夫曼提出了自主主体的概念。他认为自主主体是能够完成至少一个热力学功循环的自动催化的系统[6]。人工生命的提出,给现有的生命哲学提出了新的挑战。李建会博士则把生命本质归结于计算或信息[7,8]。

在纯粹的生物学研究领域,对生命的探讨主要是基于分子生物学。1953年沃生和克里克发现DNA的双螺旋结构,是分子生物学诞生的里程碑。此后分子生物学取得飞速发展和巨大进展,许多生物学家把生命本质归结为DNA或是RNA这种能够自我复制并能保存遗传信息的物质。以上从物理理论上和从生物学两方面回顾了人类对生命本质的探索,除了普利高津和艾根给出数学描述以外,大部分没有能从严格的物理机理上给出生命本质的数学描述。生命本质的探讨似乎应回到薛定谔年代的呼吁“生命的理解需要新物理学定律”。下面我们从一个新的物理学视角广义流原理来尝试探索生命的本质。3　生命本质的新探索

统治经典物理学和现代物理学的一个基本原理是最小作用量原理(或等价的哈密顿原理),它是一个代价最小原理,可以适用于所有的保守系统。针对远离平衡态的开放系统(系统科学、非线性科学和复杂性科学的研究主体),我们考虑修正哈密顿原理,得到一个新的代价最小原理,即最大流原理(MaximalFluxPrinciple):一个远离平衡的开放复杂系统总是寻找一种优化过程使得系统在给定的约束或代价下所获得的广义流J最大[9-13]。从该原理出发,考虑一个开放的非平衡热力学系统,通过严格的理论推导,可以得到具有自我复制特征的系统。

我们考虑两个尺度之间的广义流,上一个尺度的广义流,输入的广义流和本尺度的广义流,根据级联广义流守衡可以得到如下关系[11]:

dXS

获胜的模式,形成复制模板;左边第二项是新增加的有效广义流;右边的项是本尺度的有效广义流,也是竞争获胜的模式。其中ξ是广义力,u是广义流,与外界环境和内在原因有关,反映了生命系统的遗传信息。对任意的ξ和u,由式(1)通常可以得到[11,12]:

(2)hn～I

　　p是在0～1取值的参数,取决于ξ和u的分布。考虑一个D维空间,生命中物质的形态分布可以由式(3)给出[10-12]:

WnW(n-1)

∶lnl(n-1)

(D-p)

(3)

　　其分形维数为D-p,该值表征了物质在D维空间中的分布,本质上反映了演化的生命系统的动力学特征。一旦我们知道了ξ和u的分布(得到ξ和u的分布并不是一件容易的工作),理论上就可以求出生命物质的空间分布密度。

从式(1)和(3)我们可以看出生命系统的层次结构[9-13]。系统从外界获得广义流,形成自我复制的模板,一层层地组装起来,并伴随着进化和演化,最终长大形成了一个自我复制和进化的生命体,一个动态自组装的生命体[14,15]。在生命系统扩张过程中,竞争能力强的小生命体将争取到几乎全部广义流的增加份额,并引起小生命体的扩张,表现在范围或规模的相应增加。生命系统的生长结构与流的分配机制有关,在竞争与合作的过程中自组织起分层结构,分形便不可避免地产生了[9-13]。而分形恰恰是生命的本质特征之一。

ξ和我们认为模板的信息反映在ξ和u的分布上。

u的分布通常可以展成Taylor级数,每一项的系数对应着遗传编码和信息,就象DNA编码一样。

由此我们可以从新物理学原理出发得出如下描述:生命是一种以最小代价从外界吸取流的、能够自装配的、自我复制的、越来越复杂的、开放的非平衡热力学系统。在此过程中,生命形成了一种自相似的分形结构,如我们常见的树木聚集形态等等。从最大流原理,我们很容易得到复制模板的概念,产生自我复制和进化。

参考文献:

[1]　路德维希・冯・贝塔朗菲著,吴晓江译.生命问题-现代生物学思想

∫0

xUdy-a

d=dl

XUdy∫0

(1)

评价[M].北京:商务印书馆,1999.[2]　埃尔温笔・薛定谔著.罗来鸥,罗辽复译.生命是什么[M].湖南

长沙:湖南科学技术出版社,2003.[3]　尼科里斯,普利高津著.罗久里,陈奎宁译.探索复杂性[M].成都:

四川教育出版社,1986.[4]　艾根,舒斯特尔著.曾国屏,沈小峰译.超循环论[M].上海:上海

译文出版社,1990.[5]　马古利斯,萨根著.李建会等译.倾斜的真理:论盖娅、共生和进化

[M].南昌:江西教育出版社,1999.[6]　考夫曼著.池丽平,蔡勖译.科学新领域的探索[M].长沙:湖南科

学技术出版社,2004.[7]　李建会.与真理为友-现代科学的哲学追思[M].上海:上海科技

教育出版社,2002.

　　左边第一项是上一尺度输入的有效广义流,是竞争

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医学与哲学2005年6月第26卷第6期总第2期

的任务。

自然科学视阈下的人体是机械的生物系统,健康是系统的平衡,病患是系统的故障,而指导自然科学的医学伦理是惟一的、普适的,在这样的条件下医学的目的就是尽可能的“还原(recovery)”和“修复(repair)”。换句话说,自然科学的目的是掌握自然规律、控制自然,无限期的延长生命。在自然科学的指导下我们可以更换老化的身体零件,可以按着基因的蓝图建造生命体。自然科学创造了神话,但是也遇到了自己无法解决的危机。这些危机是和健康、病患的社会意义相关的,医学能把功能退化的心脏更新,能把基因改变,但是却不能解决因疾病而带来的社会和心理问题。最终我们发现自然科学只是我们看世界的一种视角而已。

而关注意义和理解的医学阐释学把医学的目的定位在人的和谐!这种和谐是关注人自我认识上的完整性,在变化之中寻求统一性。人是一种社会性的动物,这种统一性不是人体的一成不变,更重要的是意义的完整性和协调。我们不断的遇到新的情况,然后探索新情况所意味的东西,然后与我们过去的视阈进行互动、融合,达到新的视阈,这就是“把理解作为此在的一种存在方式”的阐释学本体论所主张的观点。们不仅去发现自然规律,同时要适应自然规律。人的生老病死是不可改变的自然规律。健康和疾病,不简单的是一种症状,而是我们存在的一种方式。当我们身体旧的平衡因为身体的病变而失去整体感,我们要在新的条件下从新建立平衡,这个平衡不是还原主义的平衡,而是新的一种存在方式,这种存在方式是我们的过去向未来的一种筹划,对我们来说健康和病患都具有“本体论”的意义。

特别是慢性病成为人类的主要疾病之后,这种“存在主义”的意义更是显著,因为很多慢性病患者要与疾病共存可能直至死亡。在这个过程中疾病不断的打破平衡,我们又尝试着建立新的平衡,生命就是这样一种紧张的张力状态。因此医学的终极目的不是去治愈(cure),更不是“死亡之死”,而是去照料(care),医学实践是人与人之间的一种人文关怀的实践。医学与其说是技术,不如说医学更是艺术;医学与其说是自然科学,

不如说医学更似人文科学[11]。

综上所述,医学阐释学对人体、健康、病患的理解,对医患关系、医学伦理、医学目的的阐释是与唯科学主义相对立的。医学哲学和医学人文科学的研究一方面要借鉴自然科学的研究方法,但更重要的是建立适合自己的逻辑规则。医学阐释学为此提供了新的视角。这个视角是历史的、辨证的、开放的、阐释的,并且是以“人”为指向,以“文(culture)(或称教化)”为方法的一种独特的看与问的方式。

科学的探索是医学“求真”的实践,医学哲学和人文科学是医学“求善”“、求美”的体现,科学是强调“我们”,而医学阐释学更强调医学实践中“我”之间的相互理解和阐释。医学阐释学的兴起将为医学哲学和人文科学提供独特的发言方式,同时推动医学哲学和人文科学的健康发展,更有助于医学哲学,人文科学对医学实践起到导向作用,使医学向着求真、求善、求美的和谐目标发展。

参考文献:

[1]　何卫平.通向解释学辩证法之途[M].上海:上海三联书店,2001.[2]　迦达默尔.真理与方法[M].上海:上海译文出版社,1999.[3]　图姆斯.病患的意义[M].青岛:青岛出版社,1999.

[4]　保罗萨加德.病因何在-科学家如何解释疾病[M].上海:上海科学

教育出版社,1999.[5]　苏珊桑塔格.疾病的隐喻[M].上海:上海译文出版社,2003.

[6]　FREDRIKS.Dasunheimliche-towardsaphenomenologyofillness.

Medicine[J].healthcareandphilosophy,2000,(3):3-16.

[7]　GUYAM.Widdershoven.Thedoctorpatientrelationshipasa

Gadameriandialogue:aresponsetoArnason[J].Medicine,healthcareandphilosophy,2000,(3):25-27.

[8]　ERICBL,XINYAO.ClinicalEmpathyasEmotionalLaborinthePa2

tient-PhysicianRelationship[J].JAMA,2005,293:1100-1106.[9]　RONALDA.Carrson.阐释的生命伦理学—感知理解之路[J].医学

与哲学,1995,16(4):169-171.[10]　恩格尔哈特.生命伦理学基础[M].长沙:湖南科技出版社,2000.[11]　MACRONB.Onmedicineasahumanscience[J].TheoreticalMedicine,2003,24:79-94.

作者简介:张铁山(1980-),内蒙古赤峰人,吉林大学公共卫生学院社会

医学与卫生事业管理专业硕士研究生,研究方向:医患关系与医患沟通。

收稿日期:2005-05-14(责任编辑:赵明杰)

(上接第17页)

[8]　李建会.走向计算主义-数字时代人工创造生命的哲学[M].北

[12]柴立和,马德刚.分形生长的新模型[J].天津大学学报(自然科学

版),2004,37(4):326-330.[13]柴立和,马德刚.复杂系统的热力学理论[J].自然杂志,2003,25

(5):261-2.[14]柴立和,彭晓峰.来自化学前沿的挑战:动态自组装[J].化学进展,

2004,16(2):169-173.[15]柴立和.多尺度科学的研究进展[J].化学进展,2005,17(2):186-191.

京:中国书籍出版社,2004.[9]　CHAILH,MShoji.Self-organizationandself-similarityinboiling

systems[J],ASMEJ.HeatTransfer,2002,124:505-517.[10]CHAILH,WENDS.Hierarchicalself-organizationofcomplexsys2

tems[J].ChemicalResearchofChineseUniversity,2004,20(4):440

-445.

[11]CHAILH.Atheoreticalanalysisofbubbleinteractioninboilingsys2

tems[J].InternationalJournalofThermalScience,2004,43:1067-1073.

MedicineandPhilosophy,Jun2005,Vol.26,No.6,TotalNo.2

作者简介:陈黎明(1981-),男,山西原平人,天津大学环境科学与工程学院硕士,研究方向:环境生物学,生物哲学。

收稿日期:2005-05-14(责任编辑:赵明杰)

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