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生物学的发展需要物理学家的贡献

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发表于 2014-2-10 08:55:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
生物学的发展需要物理学家的贡献
重构(中国资深学者)
半个多月前我撰写并公开发表在互联网上《现代生物学需要爱因斯坦式的人物》一文后,仍然意犹未尽。这是因为,在科学史中,不同学科的科学家对其他学科发展作出贡献的情况很多,因此还想进一步论述生物学的发展需要物理学家(包括其他领域学者)的贡献。
一 、为什么物理学家能够对生物学的发展做出积极的贡献?
1 、所有学科的基本科学原理都是相通的,物理学(包括其他学科)的发展需要生物学家的贡献,生物学的发展也需要物理学家以及其他领域研究者的贡献。事实上,随着科学技术不断深入发展,越来越多的事实表明,交叉学科的优势和跨领域研究者(所谓杂家)的优势越来越突出。
2 、当局者迷,旁观者清,各学科都有自己的思维定势,因此他山之石可以攻玉。例如,长期以来生物学家潜意识认为“只有人与上帝才有智慧”,在这种思维定势下他们难以想象蚂蚁、草履虫也会有智慧,因此而更愿意把动物的智力行为称之为“本能”,却不愿意对“本能”进行更深入的探索。又如,达尔文在大部头学术专著《物种起源》里,拒绝讨论智力起源与进化现象。对比之下,物理学家在思考“本能”现象时,更愿意追究其中的深层次原理,并愿意考虑“本能”行为的智力因素,例如在生命智力学里将“本能”归结为神经元生命智力系统的表现形式之一。
3 、相较而言,生物学家更注重于具体的生物现象,而对生物现象背后的深层次原因则追究不够。令人不无惊讶的是,许多生物学著作、生物学教科书(例如高崇明主编的《生命科学导论(第2版)》,高等教育出版社2007年)甚至都不肯对“生命”进行定义。又如,达尔文的随机进化论所谓的自然选择、适者生存等等,实质上都是在用结果替代原因。对比之下,许多物理学家不但重视具体的物理现象,而且更有兴趣追究物理现象背后的深层次原因,以及更加抽象的哲学问题,例如众多物理学家对万有引力本质的探索(笔者指出万有引力乃是电磁力的一种效应,证据之一是引力以光速传播),爱因斯坦对如何统一四种自然基本力的毕生探索,霍金对黑洞、灰洞、时间隧道的探索,等等。与此同时,似乎物理学家的想象力也更丰富一些。
4 、生物学家对“达尔文悖论”、“生物学悖论”的态度过于宽松,如果同样的情况发生在物理学领域,那些存在明显悖论的理论或假说通常都会受到严厉的质疑,而不会让它们继续享受理论权威的地位。关于“达尔文悖论”可参阅美国版、香港版《生命智力简史:生命智力学暨智因进化论》(王红旗著)一书的《生命智力学破解达尔文的三大理论空白和28个悖论》等内容。
笔者所谓的“生物学悖论”是指这样的一种学术现象:生物学家一方面相信生命活动(主要指新陈代谢、繁殖等)是一种有目的的精密控制的过程,严格遵循由基因编码合成蛋白质的中心法则,另一方面又相信生物进化乃是无数次的微小的随机的无方向的无目的的过程的积累效应(被称为自然选择、适者生存),两者显然存在着深刻的逻辑悖论。
有鉴于此,身为物理学家(更准确地说法是杂家或交叉学科专家)的我愿意指出:生物进化同样是生命活动的重要内容之一;由于其主要特征是新基因、新蛋白质、新细胞、新器官、新物种的形成,因此新基因、新蛋白质的形成同样也需要经历有目的的精密控制的过程。具体来说,新基因、新蛋白质的形成,遵循的乃是逆中心法则,亦即生命智力系统能够根据所需要的新蛋白质设计制造相应的新基因,为此生命智力系统需要能够预期新蛋白质的生命功能(笔者称为虚拟蛋白)。对于生物学来说,这相当于创建一门全新的蛋白质功能预测学,该学科的意义和价值是能够预见到什么样的氨基酸所组合形成的蛋白质,它或它们可能会具有什么样的生命功能。毋庸置疑,一旦人类掌握逆中心法则和蛋白质功能预测学原理,必将对生物学产生革命性的划时代的影响,有助于推动基因工程和人造生命工程提高到一个全新的阶段和层次。
二 、物理学家对生物学发展作出贡献的典型案例
我在《现代生物学需要爱因斯坦式的人物》一文中指出:科学技术史表明,生物学的发展需要物理学家的贡献。1943年初,爱尔兰都柏林三一学院可容纳400人的学术报告厅座无虚席,生物系的教授和大学生全神贯注聆听一位外行论述“生命是什么”,演讲者是波动力学理论的创建人奥地利物理学家薛定谔。十年后,受到薛定谔讲演启发的生物学家沃森和克里克揭开了dna分子双螺旋结构的秘密,推动生物学上升到一个新的层次,并于1962年双双获得诺贝尔生理学和医学奖。
接下来,20世纪80年代前后,中国力学领军人物钱学森力主推动生命科学研究。此后,21世纪初正式创建生命智力进化论的学者同样是一名中国的物理学家(1970年毕业于中国科学技术大学近代物理系反应堆工程专业,提出宇宙心脏磁力线模型、引力是电磁效应、光守恒原理等),有理由相信那些能够向当年前辈一样虚心学习生命智力进化论、认真思考生命智力在生物进化过程中如何发挥作用的当代生物学家,在不久的将来也会有一系列重大的科学发现,例如发现“智因”(正在设计制造过程中的新基因)、“膜因”(细胞膜上的工作单元)、“智膜因”(正在设计制造过程中的新膜因)、“虚拟蛋白”和“逆中心法则”等众多构建生命奥秘的新结构,无疑这将使人类对生命的认识提高到一个全新的层次,开创一个全新的时代。有关内容可参阅学术专著《生命智力简史》,以及《破解千古难题:先有鸡还是先有蛋》《生物智能导论》等书稿。
三 、简评老三论、新三论对生物学发展的贡献
客观地说,物理学家(包括化学家、数学家等)对生物学的贡献乃是有目共睹的,而生物学家对其他学科的贡献同样是有目共睹的。事实上,20世纪40年代先后创立并获得迅猛发展的系统论、控制论和信息论(简称老三论或SCI论),20世纪70年代陆续确立并迅速进展的耗散结构论、协同论、突变论(简称新三论或DSC论),它们都对生物学的发展产生了积极的作用。事实表明,把老三论、新三论应用到生物学,有助于生命智力学的创建。这是因为,系统论、控制论、信息论和耗散结构论、协同论、突变论,都可以用“生命智力的行为”予以整体的归纳、概括和提炼、提高。
系统论的创始人美籍奥地利生物学家贝塔朗菲指出:要把事物当作一个整体或系统来研究,并尽可能用数学模型去描述和确定系统的结构和行为。这里所说的系统,是指由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体,而每一种系统本身往往又是它所从属的一个更大系统的组成部分。进一步说,系统具有动态性、等级性、整体与部分相互制约性和依存性、有序性、目的性,这是因为复杂事物功能通常都要远大于该组成因果链中各环节的简单总和。因此一切生命都处于积极运动的状态,有机体作为一个系统能够保持动态稳定是系统向环境充分开放并获得物质、信息、能量交换的结果。毋庸置疑生命智力就是以系统的形式来实施其生命功能的,而“实施其生命功能”正是该系统的目的性。
控制论是研究系统的状态、功能、行为方式及变动趋势,控制系统的稳定,揭示不同系统的共同的控制规律,使系统按预定目标运行的技术科学。参阅《维纳著作选》(上海译文出版社1978年),其中收入控制论创始人美国学者诺伯特•维纳的两部著作《人当作人来使用》《上帝和高兰合股公司》。毋庸置疑生命智力在实施其生命功能的过程中,离不开对生命智力自身及其载体的有效控制。
信息论是由美国数学家香农创立的,它是用概率论和数理统计方法,从量的方面来研究系统的信息如何获取、加工、处理、传输和控制的一门科学。“信息”通常指消息中所包含的新内容与新知识,有助于减少和消除人们对于事物认识的不确定性;据此可知信息乃是一切系统保持其结构、实现其功能的基础条件之一,这是因为系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的。事实上,在生命智力学里,生命与非生命的分水岭就在于生命拥有生命智力,而生命智力的定义就是能够使用间接信息(相当于引力、电磁力等直接作用信息而言)达成期望效应,例如使用基因编码合成蛋白质,再由蛋白质实施具体的生命功能。
耗散结构论创建于1969年,创始人比利时学者伊•普里戈金和法国学者伊•斯唐热合著有《从混沌到有序》一书(上海译文出版社1987年),该理论把宏观系统区分为三种类型:其一是与外界既无能量交换又无物质交换的孤立系统,孤立系统永远不可能自发地形成有序状态,其发展的趋势是“平衡无序态”。笔者愿意指出的是,宇宙并不存在真正的“孤立系统”,因为任何物质都在通过电磁力或引力(实际上乃是电磁力的一种效应)与其他物质发生这样那样的关系。其二是与外界有能量交换但无物质交换的封闭系统,封闭系统在温度充分低时可以形成“稳定有序的平衡结构”。其三是与外界既有能量交换又有物质交换的开放系统。开放系统在远离平衡态并存在负熵流时,可能形成“稳定有序的耗散结构”,它是在远离平衡区的、非线性的、开放系统中所产生的一种稳定的自组织结构;由于存在非线性的正反馈相互作用,因而能够使系统的各要素之间产生协调动作和相干效应,使系统从杂乱无章变为井然有序。生物机体就是一种远离平衡态的有序结构,它只有不断地进行新陈代谢才能生存和发展下去,属于典型的耗散结构。
值得注意的是,耗散结构论认为,耗散结构的有序化过程往往需要以环境更大的无序化为代价,因此从整体上讲,由耗散结构本身与周围环境所组成的更大范围的物质系统,仍然是不断朝无序化的方向发展,同样服从热力第二定律,都是宇宙演化序列中的一个环节。对此,我想指出两点:其一、所谓“有序化过程往往需要以环境更大的无序化为代价”的说法,实际上来源于1943年薛定谔的讲演《生命是什么》(上海人民出版社1973年第78页)所说的“有机体就是赖负熵为生的。或者,更确切的说,新陈代谢中的本质的东西,乃是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵。”其二、我不能同意“有序化过程往往需要以环境更大的无序化为代价”这种说法,这是因为生命活动并不一定意味着让环境付出更大的无序化代价,例如阳光直接照射在石头上变成的热,与阳光被植物光合作用吸收后经历生命活动过程后释放的热是一样的,因此地球上的生命并没有增加太阳系的无序化。进一步说,无序不是守恒的,有序也不是守恒的;无序可以生成无序,无序也可以生成有序,即老子《道德经》所说的“无中生有”;有序可以生成有序(薛定谔一认识这一点),有序也可以生成无序,即老子《道德经》所说的“有化为无”。
突变论最初由荷兰植物学家和遗传学家德弗里斯(1848~1935)提出,他根据进行多年的月见草实验结果,于1901年提出生物进化起因于骤变的“突变论”(其前身是灾变论)。20世纪60年代末法国数学家R.托姆为了解释胚胎学中的成胚过程而重新定义和提出突变论。托姆1972年发表专著《结构稳定与形态发生》,系统地阐述了突变论。20世纪70年代以来,E.C.塞曼等人提出著名的突变机构,进一步发展了突变论,并把它应用到物理学、生物学、生态学、医学、经济学和社会学等各个方面,产生了很大影响。突变论是通过对事物结构稳定性的研究,来揭示事物发生质变的规律。一个普通系统的质变,除了渐变之外,通过突变方式也能实现质变。突变理论认为,不是所有的自然、社会、思维状态都可以被控制者随意控制的,而是只有那些在控制因素尚未到达临界值之前的状态是可控的,如果控制因素一旦达到某一临界值,则控制为随机的,甚至会变成无法控制的突变过程。
笔者愿意指出的是,生物进化不仅存在着渐变现象,也存在着突变现象,而且复杂结构的进化,诸如新基因的出现、新细胞的出现、新器官的出现、新物种的出现,往往都要经历突变过程。这是因为,生命复杂结构的出现,离不开协同进化过程,只有当生命复杂结构完成之后,才能够实现相应的新功能,因此新结构及其新功能的出现必然呈现出突变性。事实上,我们之所以见不到半成品的器官,乃是因为半成品的器官对生命体是极其有害的。根据生命智力学暨智因进化论,生物进化既有显性进化方式(对应着渐变式进化过程),也有隐性进化方式(对应着突变式进化过程)。例如,心血管系统的形成,需要同时出现泵(原始心脏)、管道(血管)、能够携带氧分子的载体(血红蛋白)等等一系列新结构,这些新结构各自是由相应的新基因及其编码合成的新蛋白设计制造出来的,而设计制造新基因、新蛋白的过程就是隐性的。
    协同论是联邦德国著名理论物理学家赫尔曼•哈肯在1973年创立的,重点研究远离平衡态的开放系统在与外界有物质或能量交换的情况下,如何通过其内部协同作用,自发地出现时间、空间和功能上的有序结构。协同论以系统论、信息论、控制论、突变论、耗散结构等为基础,采用统计学和动力学相结合的方法,通过对不同的领域的分析,提出了多维相空间理论,建立了一整套的数学模型和处理方案,在微观到宏观的过渡上,描述了各种系统和现象中从无序到有序转变的共同规律。 自然界是由许多小系统组织起来的统一体(大系统),在每一个大系统中的众多小系统彼此之间既相互作用,又相互制约;它们的平衡结构,以及由旧的结构转变为新的结构,往往有一定的规律,协同论就是研究该规律的学科。协同论的重要贡献在于论证了各种自然系统和社会系统从无序到有序的演化,都是组成系统的各元素之间相互影响、协调一致的结果。协同论有助于为一个学科的成果推广到另一个学科提供理论依据,也为人们从已知领域进入未知领域提供了有效认知手段。
显然,达尔文及其追随者关于生物进化是随机过程的说法,与协同论是格格不入的。对比之下,从协同论到生命智力学暨智因进化论(亦称生命智能学、生物智力学、生物智能学,或生命智力进化论、生命智能进化论、生物智力进化论、生物智能进化论),仅有一步之遥(未能认识到相互作用、相互制约的系统之间形成了实施主体亦即生命智力)。根据生命智力学,生命与非生命的分水岭在于生命拥有生命智力系统,不同的生命拥有不同形式、不同层次的生命智力系统。地球上的生命具有多种形式、多种层次的生命智力或生命智力系统,它们主要有细胞核(包括RNA、DNA、染色体)生命智力系统、细胞膜(包括内外附着物、衍生物)生命智力系统、单细胞生命智力系统、细胞膜网络生命智力系统、神经元细胞生命智力系统、大脑思维细胞生命智力系统,以及生命智力巨系统等等。其中,DNA生命智力系统(亦可称为染色体生命智力系统、细胞核生命智力系统)主要由基因和智因组成,智因即正在形成过程中的新基因。细胞膜生命智力系统主要由膜因和智膜因组成,智膜因即正在形成过程中的膜因。生命智力系统使用的主要工具是基因开关和膜因开关,所有的生命智力系统都是运行在相应的生命体物质结构载体之上的;“我”就是生命智力系统的自觉,“灵魂”属于高级层次的生命智力。

KX52-5500《生物学的发展需要物理学家的贡献》140210
重构智因学研院电话010-51843850 信箱jdtdshj@163.com
本文收入八纮九野丛书《重构(王红旗)文集》之《重构2014进展》。
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