生命与新物理学

如果《时间简史》曾让你感到震撼，那么《生命与新物理学》一定会让你重温这种体验。

这是一次跨越生物学、物理学、数学、认知科学甚至哲学界限的前沿探索之旅，足以颠覆我们对世界的认知。

·生命是什么？

·为什么能从混沌中自发产生秩序？

·地球生命的出现是偶发奇迹还是必然？

·生物与非生物之间的本质区别是什么？

·驱动生命进化的隐秘动力在哪里？

……

这本书将从全新视角揭示生命的谜题。在此之前的科学关注的是生命的“硬件”——化学结构，而保罗·戴维斯的新物理学创造性地聚焦于生命的“软件”——隐藏的信息网络。生物体中的信息流，就是解释生命议题时一直缺失的那块关键性拼图。

有了这块珍贵的拼图，我们就能深入理解癌症基因、表观遗传学、地外生命、量子计算机、生物电路等至关重要的热点话题，领悟浩瀚生命的奥秘。

生命是什么？

1943年，诺贝尔奖获得者、量子力学的重要奠基人薛定谔提出了这个划时代的问题，他指出：我们需要新物理学来给出答案。

这本书从这个经典问题出发，结合香农的信息论、达尔文的进化论和诸多领域的前沿研究，将量子力学应用于生物学、计算科学等领域，超越各个学科的界限，用全新视角探究生命的本质。书中提出了一个突破性的观点：生命=物质 信息，分子结构是生命的“硬件”，信息结构则是生命的“软件”。生物体中含有大量高效的微型机器，它们聪明地处理和控制着信息，像变魔术一样从混沌中获得秩序。进化让这张隐形的信息网络不断升级。

保罗·戴维斯将生物学、物理学、数学、化学、信息科学、医学和哲学等领域融为一体，引领了极具洞见的全新交叉学科。这种新科学涉及信息引擎、生物电路、癌症基因、量子计算机等众多前沿科学领域，用信息的观点重新解读生命之谜。

保罗·戴维斯（Paul Davies）

理论物理学家、宇宙学家和天体生物学家，美国亚利桑那州立大学科学基本概念超越中心主任，“地外智慧生物搜寻”（SETI）计划侦测后任务小组负责人。有一颗小行星以他的名字命名。

戴维斯是当代知名科学作家，写过多部畅销科普作品，包括《上帝与新物理学》《宇宙的最后三分钟》《关于时间：爱因斯坦未完成的革命》等。他曾因科学成就及向大众传播科学知识的卓越贡献获得尤里卡奖、英国物理学会开尔文奖和英国皇家学会法拉第奖等。《华盛顿时报》称他为“大西洋两岸最好的科学作家”。

前言/III

第1章  生命是什么？ /001

第2章  走近麦克斯韦妖/029

第3章  生命的逻辑/077

第4章  达尔文主义2.0/127

第5章  鬼魅般的量子和生命/169

第6章  生命的起源/197

第7章  机器中的幽灵/221

结语/251

延伸阅读/263

注释/269

索引/281

【前  言】

已经有很多书探讨过生命能做什么了，但本书想要探讨生命是什么。是什么创造了生物？是什么使得生物能够做出如此令人惊讶的事情，而这些事情却是非生物做不了的？生物与非生物的区别来自哪里？哪怕一个低级的细菌也能完成如此美妙、如此神奇的事情，却没有任何一位工程师能够制造出与生物相媲美的东西。这些问题让我十分着迷。生命看上去就像一种魔法，它的秘密隐藏在令人费解的复杂性之中。过去几十年来，生物学取得的巨大进展只不过强化了这种神秘感。是什么让生物产生了神秘的魅力，既非凡又独特，完全不同于其他物理系统？所有这些独特性一开始来自哪里？

我们可以提出很多类似的问题，它们也是非常重要的问题。在我的职业生涯中，我常常痴迷于这些问题。由于我不是一位生物学家，而是一位物理学家和宇宙学家，所以，在处理这些重要问题时，我将避开大多数技术细节，而主要关注基本原理。这就是我将在本书中做的事情。我会专注于真 正重要的难题和概念，以试图回答那个非常热门的问题：生命是什么？我绝 不是第 一 个提出这一问题的物理学家。

距离伟大的量子物理学家埃尔温·薛定谔发表著 名的系列演讲《生命是什么？》已经过去了三代人的时间，我将以此作为出发点。在这些演讲中，薛定谔提出了达尔文逃避的问题。然而，我认为我们现在正处于回答这个问题的临界点上，相关的答案将会引 领一个全新的科学时代。

如果不引入全新的基本概念，物理学与生物学之间的巨大鸿沟——原子和分子领域与生物体领域之间的鸿沟——就将无法弥合。生物体有其目标和使命，这是几十亿年来进化的产物，而原子和分子只盲目遵从物理规律。但是，生物体必定是以某种方式从原子和分子中产生的。尽管科学界已经广泛接受“我们需要将生命重构为一种物理现象”这一观点，但事实证明，科学家还是常常低估了全 面理解生命起源和生命本质的难度。

试图寻找非生命与生命之间存在的“缺失的连接”，并在单一理论框架下将两者连接起来的研究，已经产生了一个全新的跨界科学领域，它融合了生物学、物理学、计算机科学和数学。该领域不仅旨在对生命做出终 极解释，还希望开启新的应用场景，为纳米技术带来变革，引导医学研究取得巨大进步。这一变革背后的统一概念就是信息。它不是指日常意义上的信息，而是一种类似于能量的抽象概念，能让物质形成生命。从字面上理解，信息流模式可以表现出它们自己的生命特征，比如在细胞间穿梭翻涌，在大脑中飞旋，在生态系统和社会中交互并呈现出它们自己的系统动力机制。正是在这种丰富而复杂的信息流动过程中，行为主体概念产生了，这一概念又与意识、自 由意志和其他令人困惑的难题有关。生物系统正是通过将信息整合成有序模式的方式，在分子领域的混沌中形成了生命的独特秩序。……

超越边界之作……戴维斯表明，信息的观点有助于更好地理解生命的定义特征……这种生命视角是宏大的。——《自然》

精彩，生动……理解生物体中的信息流，可能正是我们的科学拼图中缺失的部分。这是个伟大的想法。——《卫报》

这本书适合所有喜欢打破认知界限的人。戴维斯用轻松有趣的笔触来呈现他的探索，即使是非常深奥的科学，也被阐释得十分清楚。——丹尼斯·诺布尔，系统生物学先驱，牛津大学医学部名誉教授

从物理学到生物学，从进化论到神经科学，保罗•戴维斯在这本写作风格鲜明、引人入胜的书中，为如下核心观点提供了强有力的例证：生命与信息流息息相关。这本书中有很多值得深思的东西。强烈推荐。——乔治 F. R. 埃利斯，宇宙学家、数学家，开普敦大学教授

如果你想要理解生命概念是如何演变的，就一定要读这本书。——安德鲁·布里格斯，纳米材料科学家，牛津大学教授

一次探索生命相关科学的精彩绝伦之旅。——戴维·多伊奇，量子物理学家，牛津大学教授，2018年度“墨子量子奖”得主

【迷箱7  数字医生时代的到来】

想象一下未来的医生（多半是人工智能）能通过某些令人惊讶的技术实时检测基因表达，凝视着细胞中舞动、闪烁的模式，就像从远处眺望城市的灯光，并据此诊断出病人所患疾病。这就是数字医生，它是一位医疗软件工程师，处理的是信息而非生物组织。我设想未来医生会告诉我，在我身体的这个或那个闪烁的基因簇中有癌症的早期征兆；或者一个遗传基因缺陷产生了一个异常明亮的斑块，表明肝脏中的某种蛋白质超表达了；或者不太活跃的斑点可能表明，有些细胞没能获得充足的氧、雌激素或钙。对信息流和信息簇的研究，将会为我们提供一种比今天使用的各种化学测试有效得多的诊断工具。对疾病的治疗将致力于建立健康、平衡的信息模式，也许是通过介入甚至是再造某些有缺陷的模件，就像从前的电子工程师会通过更换晶体管或电阻器来修好一台收音机那样。数字医生可能不会试图替换任何“硬件”（模件），而会重写某些代码，并以某种方式将其上传到病人体内的细胞中，恢复其正常的功能，这相当于细胞重启。

这些似乎是科幻小说中的情节，但信息生物学与计算机技术是平行发展的学科，尽管前者比后者晚了好几十年。随着对DNA三联体密码和转录机制的阐明，生命的“机器代码”在20世纪五六十年代被破解了。现在，我们需要理解生命的更高–级的计算机语言，这是接下来必不可少的步骤。今天的软件工程师不会通过输入海量的“1”和“0”来设计一种新的电脑游戏，而会代之以像Python（蟒蛇）这样的高–级语言。类似地，当一个细胞调节其膜电位时，它会增加泵出的质子数量，而用基因密码子描述的“机器代码”并不容易看懂。细胞作为一个单位，在高得多的层级上运作，管理它的物理和信息状态，并有效利用了复杂的控制机制。这些调节过程并不是随意的，而是遵从其自身的规律，就像软件工程师使用的高–级计算机语言。而且，正如软件工程师能用高–级代码重新编程一样，生物工程师也能为生命系统重新设计更精–密的特征。