科學與詩意

袁越

科學和詩意究竟如何才能完美結合？本書給我們提供了一個很好的案例。

生命是信息的載體

文理之爭是當代人永恒的話題，文科生和理科生似乎是水火不相容的兩個群體，誰也不服誰。日本生物學家福岡伸一教授試圖在兩者之間架起一座橋梁，于2016年在日本出版了一本探索生命奧秘的科普書《生物與非生物之間》，用類似散文的寫作方式探討了生命的本質。南海出版公司于2017年將本書引入中國，中文版封面上印著一行醒目的廣告語：科學與詩意的完美結合。

說到科學，福岡伸一教授在科研領域的個人履歷是無可挑剔的。他1959年出生于東京，畢業于京都大學，之后去美國留學，曾經在著名的洛克菲勒大學和哈佛大學醫學院做過研究。學成回國后他擔任過京都大學副教授一職，現為日本青山學院大學分子生物學教授。

說到詩意，福岡教授在文學方面的成就也可圈可點。他從小就喜歡寫作，科研之余寫過好幾本科普書，曾因一本論述瘋牛病的書《可以放心吃牛肉了嗎？》獲得了日本科學新聞工作者獎。這本《生物與非生物之間》探討的是遠比瘋牛病更加宏大的主題，那就是我們應該如何區分生物與非生物，或者換個更詩意的問法：生命的本質到底是什么？

福岡在這本書的開篇便向讀者展示了自己文藝的一面，他通過對家鄉多摩川附近的一條小河的細致描述，提出了一個很有意思的問題：我們是如何能在一瞬間就判斷出眼前的東西是生物還是非生物的呢？人類似乎天生就具備了這個能力，我們去海邊走走，看到沙灘上的小石子和小貝殼，雖然它們的質地和顏色非常相似，但我們還是能很清楚地辨別出前者只是石頭，后者才是生命活動的產物。

如果你在生物課上提出這個問題，老師一定會依次列出生物的解剖學和生理學特征作為解答，比如生物大都由細胞組成，有DNA或者RNA，能夠通過呼吸產生能量等等。但福岡顯然不能滿足于如此刻板的解釋，他想找出生命最本質的特征，他相信這個特征一定是充滿詩意的。

古人很早就對這個問題產生了興趣，但經過一番冥思苦想卻還是找不到答案，只好將這個問題托付給萬能的神，宗教由此產生。還有一些古代文明另辟蹊徑，認為生命既沒有開始也沒有結束，而是不斷地重復自己，周而復始永不停歇。

英國分子生物學家威爾金斯。他在倫敦大學國王學院期間解開了DNA分子結構而獲得1962年的諾貝爾生理學或醫學獎

這兩種世界觀統治了人類很多年，我們的祖先用各種文字寫下了無數詩篇，贊美萬能的上帝和生命的輪回。但最終我們還是意識到這個問題需要由科學來做出解答，而最早試圖解答這個問題的人就是大名鼎鼎的埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）。這位奧地利物理學家原本是以量子力學而成名，早在1926年他38歲時就提出了著名的“薛定諤方程”，并因此而被公認為是和愛因斯坦齊名的天才。如今量子力學已經成為全世界神秘現象愛好者們共同的精神圖騰，無數人將其視為詩意的靈感來源，但當年的薛定諤卻對量子理論的不確定性和不連續性等概念產生了強烈的懷疑，著名的悖論“薛定諤的貓”就是針對量子理論的這種玄學傾向而提出來的反命題。

離開量子力學之后，薛定諤隱居愛爾蘭首府都柏林，潛心研究生命的本質。1943年他在著名的三一學院舉辦了一系列講座，向公眾闡述自己的理論。第二年他又將講稿寫成書出版，書名就叫《生命是什么？》。正是在這本書中，薛定諤提出了兩個非常重要的問題。第一個問題是關于生命的遺傳屬性，從某種意義上講，古人所觀察到的輪回現象，本質上就是生物遺傳性的具體體現，所謂“種瓜得瓜，種豆得豆”是也。薛定諤把物理學的一些基本原理應用到了遺傳學領域，提出了一個著名的預言，即遺傳物質一定是一種非周期性的晶體。最終他的預言在1953年被沃森和克里克證實了，他倆發現DNA確實是一種非周期性晶體，并由此而構建出了DNA的雙螺旋結構模型，很好地解釋了遺傳的原理。

如今DNA已經成為家喻戶曉的縮略詞，不用再解釋了，但DNA發現過程的具體細節知道的人并不多。事實上，沃森和克里克的發現只是在前人所做的一系列實驗的基礎上得出的必然推論，整條邏輯鏈相當完整，其推理過程也很精彩。福岡從一個科研工作者的角度詳細描述了這個過程，為讀者還原了DNA發現史，并詳細解釋了一個有機大分子究竟是如何傳遞信息的。如果你不了解其中的細節，只聽說過DNA這個名字，那你就會錯過人類歷史上最精彩的一段傳奇故事，無法體會出這個故事里所蘊含的無限詩意。

DNA的秘密被發現后，很多人認為生命的本質就是遺傳，生命只是信息的載體而已。但是，這個理論在解釋病毒時出了點小麻煩。病毒雖然能夠傳遞信息，但卻必須依靠其他生命才能實現這個目標，純粹的病毒本身就是一個普通的晶體，和其他無機晶體一模一樣，看不出任何生命的跡象，所以科學家們一直對病毒到底算不算生命這個問題爭論不休，誰也說服不了誰。

福岡認為，僅用信息載體作為生命的定義是不夠的，還要有點別的東西，這就涉及了薛定諤當年提出的第二個問題。

生命是動態的平衡

薛定諤提出的第二個重要問題相當耐人尋味：為什么原子那么小？這個問題也許應該反過來問：為什么我們的身體那么大？為什么生命的尺度比原子尺度要大得多？

這個問題看似無厘頭，其實有著深刻的含義。福岡教授認為，我們之所以能夠很容易地分辨出沙灘上的石子和貝殼，就是因為貝殼展現出一種只有生命才會有的秩序。秩序，就是生命的另一個必要條件，甚至比信息載體更能反映生命的本質。

從分子的角度講，所謂“秩序”就是分子克服“平均趨勢”的集體行為。如果你在一杯水中滴入一滴墨水，不久之后整杯水都會被染成了平均的顏色，這就是分子的“平均趨勢”，導致這一趨勢的根本原因就是無所不在的布朗運動。但是，所有這些墨水分子當中一定會有極少數不遵循這個法則，做出“非常規”的動作。物理學證明，這些分子遵循的是所謂的“平方根法則”，即如果一個杯子里總共有100個分子，那么其中會有100的平方根，即10個分子“不聽話”。

在這個例子中，不聽話的分子占分子總數的10%，比例相當高了。如果生命體僅僅由100個分子組成，那它是很難維持秩序的。但是，如果一個杯子中總共有100萬個分子，那么不聽話的分子便只有100萬的平方根，即1000個，占分子總數的0.1%，比例就小多了。換句話說，一個東西所含的分子總數越大，不守規矩的分子數量所占比例就越低。如果秩序的確是生命的一個核心特征的話，那么生命體必須足夠大，才能保證這個秩序不會被破壞。

基于這個假設，薛定諤提出了著名的“負熵理論”。熵是熱力學概念，用來衡量一個系統的混亂程度。根據熱力學第二定律，任何封閉系統的熵一定是增加的，即隨著時間的流逝，這個系統一定會趨向徹底的混亂，最終達到熱力學上的“死寂”狀態。但是，生命體是高度有序的，和“死寂”狀態正相反。一個生命要想維持這種狀態（即活著），就必須克服這一內在趨勢。而在薛定諤看來，這就意味著生命必須時時刻刻從外部環境中攝取負熵，這就是生命必須經常進食的原因。

在福岡看來，薛定諤的這個負熵理論是正確的，但他的推論卻是錯誤的。生命從環境中攝取的食物，無論是碳水化合物還是蛋白質，最終都會被生命所分解，變成廢物，生命并不會將食物中的有機分子的“秩序”作為負熵的源泉，因為蘊藏在食物中的“秩序”是其他生物的信息，對攝食者來說，這些信息無異于噪聲，是沒有任何用處的。

也就是說，生命需要進食的原因不是從食物中攝取負熵，而是另有所圖。

接下來，福岡引出了本書的第二個關鍵人物，德裔美國科學家魯道夫·舍恩海默（Rudolph Schoenheimer）。在福岡的筆下，這位舍恩海默博士是一個不出世的奇才，當年正是他第一個用微觀思維證明了宏觀現象，并在20世紀30年代后期樹立了一種全新的生命觀。人類和這種生命觀打交道的時間不過70年左右，至今仍然沒能透徹理解恩舍海默所做出的重大發現的真正含義。

讀到這里，讀者肯定會對這位恩舍海默先生感到好奇，他是誰？做了什么？為什么知名度如此之低？維基百科上關于他的詞條只有寥寥數筆，只是說他是全世界第一個采用同位素示蹤技術研究新陳代謝的人，可惜因為抑郁癥，在1941年的9月11日這天自殺了，享年43歲。

同位素示蹤技術如今已經成為生物學研究領域的常規技術，但在20世紀30年代確實可以稱得上是一項革命性的新發現，因為這項技術第一次讓科學家能夠分辨出組成生命個體的每一個原子，并跟蹤它們的活動路徑。

舍恩海默最先掌握的是氮同位素示蹤技術，組成蛋白質的20種氨基酸的每一種都含有氮元素，因此這個方法可以用于研究蛋白質的代謝途徑。研究人員曾經用含有氮同位素的飼料喂養小鼠3天，這期間收集所有的小鼠排泄物，發現只有30%的氮同位素被排了出來，剩下的都留在了小鼠體內。進一步研究發現，超過一半的氮同位素都被小鼠吸收，變成了小鼠自身的蛋白質，廣泛分布于全身各個器官之中。換句話說，組成小鼠身體的蛋白質在短短3天的時間里被替換掉了一半！

順著這個思路繼續推演下去，我們可以得出一個驚人的結論，那就是組成小鼠身體的所有原子在短短的幾個星期的時間里就會被全部替換掉，出現在我們面前的是一個“全新”的小老鼠！

我們有充分的理由相信，類似的事情發生在幾乎所有的生命身上，當然也包括我們人類。我們每天吃下去的食物也有很多變成了我們身體的一部分，用不了多長時間，我們的身體也會被從頭到腳地換一遍。事實上，福岡相信，一個人不吃東西光喝水之所以活不了一個星期，并不是因為缺乏能量，而是因為我們的身體沒有東西可換了。

舍恩海默的新發現為薛定諤的負熵理論做了很好的補充。薛定諤雖然意識到生命是一種秩序，維持這種秩序需要對抗熱力學的熵增原理，但他沒有意識到這種對抗不是依靠增強系統的耐久性來實現的，而是正相反，必須讓系統處于永遠的流動狀態。只要生物還活著，體內必然有熵出現，只能依靠“流動”來把新增加的熵排出體外。這是一種動態平衡，生命就是一種處于動態平衡狀態的流體。

福岡把這個結論總結成了一句極富詩意的話：要想維持秩序，就需要不斷地破壞秩序。

任何人都不難看出這句話中蘊含的哲學意味，但是這句話是否能用在日常生活中呢？真相恐怕并不是那么簡單的，因為生活和生命是兩種完全不同的東西。

生命是單向的過程嗎？

請你把自己想象成一家小公司的老板，為了維持公司的正常運作，需要每位員工都盡職盡責，大家合力組成一個完美的封閉系統。如果某位員工玩忽職守，導致整個系統的平衡被打破，公司運轉不靈了，你會怎么辦？你會模仿生命的樣子，立刻換一位新員工嗎？肯定沒那么簡單，因為你并不肯定新員工能否稱職，是否能完美地把出了問題的舊員工替換掉。

生命就沒這個問題，因為世界上的每一個原子本質上都是一樣的，地球生態系統中的每一類有機分子也是如此，換誰都一樣。更重要的是，每一個需要替換的位置都是按照簡單的互補原則而事先被規定好了的，這個互補原則我們在DNA分子中見到過，遺傳信息就是這么傳遞下去的。蛋白質也有互補性，無論是組成身體結構的蛋白質還是作為催化酶的蛋白質，所仰仗的都是這種互補性。福岡教授曾經研究過細胞膜的結構和功能，他在這本書中花了很多篇幅講述了這項研究的細節，為讀者解釋了生物互補性是如何起作用的，為什么對于細胞膜來說“內部的內部就是外部”，這個看似繞口令的結論哲學色彩濃厚，仔細想來極富詩意。

但是，這個動態平衡的理論并不是生命意義的終結。在本書的最后一章，福岡又為讀者描述了一個全新的實驗，并得出了一個更加令人震驚的結論。

這個實驗用到了大名鼎鼎的“基因敲除”工具，這個工具可以幫助科學家們更好地研究每一個蛋白質的功能。這個工具的道理很簡單：如果有人給你一臺老式電視機，讓你研究一下每一個零件都是干什么用的，你會怎么做？一個簡單的思路就是把每一個零件分別從電視機上取下來，看看它對電視機的功能產生了何種影響，這就是“基因敲除”工具的基本原理。

福岡在研究細胞膜的過程中發現了一個神秘的蛋白質，取名GP2，這個蛋白質在細胞膜上隨處可見，但它的功能并不十分清楚，于是福岡想辦法把這個蛋白質的編碼基因從小鼠胚胎的基因組中“敲除”掉，生下來的小鼠體內便找不到GP2蛋白了。他原本以為這樣的小鼠肯定活不了，起碼也會活得很不舒服，但結果卻讓他大吃一驚，這種小鼠活得好好的，似乎一點也沒有受到影響。

福岡還曾經用類似的方法研究過瘋牛病，只不過因為牛的飼養成本太高，他用小鼠來代替。小鼠也會得“瘋鼠病”，其致病機理和瘋牛病幾乎是一樣的，都是由于一種朊蛋白（Prion）發生異常病變所引起的。福岡采用基因敲除法培育出朊蛋白基因被敲除的小鼠，結果這種小鼠同樣活得好好的，一點也沒受影響。

當然了，并不是每一個基因被敲除后小鼠都能健康成長，有很多基因的作用非常關鍵，一旦被敲除后小鼠胚胎就無法正常發育了，但這個GP2基因和朊蛋白基因似乎是可以被完全敲除的，難道說這兩個基因都是多余的嗎？

想象一下，如果我們拿掉電視機上的某個零部件，電視機仍然能正常工作，所有功能都不受影響，我們完全可以說這個零部件是沒有用的，但我們能否說GP2和朊蛋白也是無用蛋白質呢？福岡認為不能這么類推，因為小鼠是活的。事實上，他認為GP2和朊蛋白都是非常有用的蛋白質，但當它們被敲除后，小鼠立刻啟動了應急措施，用另外的蛋白質替代了GP2和朊蛋白的功能，保證小鼠可以繼續活下去。

之所以會出現這樣的差別，原因就在于生命和電視機完全不同。電視機是死的，屬于靜態平衡，而生命是活的，一個活的生命永遠處于動態平衡之中，而動態平衡和靜態平衡的最大不同就是前者的容錯能力非常強，GP2和朊蛋白的基因敲除實驗就是這種動態平衡的最佳案例。

生命的這種動態平衡和電影《侏羅紀公園》里那句“生命總會找到出路”的名言，有著異曲同工之妙，兩者都是為生命譜寫的贊美詩。

事情發展到此還遠未結束。福岡突發奇想，把一個不完整的朊蛋白基因重新轉入到基因敲除小鼠的基因組之中，結果這種小鼠反而得了“瘋鼠病”，很快就病發而死了。如果再用電視機做比喻的話，這就相當于你把一個零件拿掉后，發現電視機完全可以正常工作，但如果你把這個零件弄壞了再安裝回去，電視機反而不工作了。

這個實驗說明，某些基因如果全部缺失了反而沒事，但如果只缺一半的話則有害，這是怎么回事呢？

為了解釋這個奇怪的現象，福岡引入了時間這個變量。他認為把生命比作電視機本身就是一個天大的錯誤，基因敲除和拆掉電視機面板上的某個零件也是兩碼事。生命不光是一個每時每刻都處于動態平衡狀態的流體，而且還是一個單向的變化過程，一切變化均按照嚴格的時間軸來進行，無法逆轉。

具體來說，福岡相信生命在每一個階段都會由事先規定好的一組蛋白質來控制，如果缺了其中的一個，那么生命在那個特定階段就沒辦法達到動態平衡了，必須想辦法彌補損失，“找到出路”。只有當這個損失被彌補，平衡重新達成之后，生命才會進入下一個階段，這就是為什么GP2和朊蛋白基因被敲除后小鼠仍然可以存活的原因。但如果我們人為地引入一個壞的基因，生命會誤以為平衡已經達到了，于是便按部就班地進入了下一個階段，結果反而遭了殃。

如果這套理論是對的，那么我們就會很自然地得出一個驚人的結論：人類不可能像操縱機器那樣操縱生命。這句話是整本書的最后一句，也是最有詩意的一句話。這句話暗示生命是大自然的奇跡，人類僅僅依靠自己的智慧是無法改變它的。

福岡在得出這個驚人的結論后就草草收尾了，沒有繼續討論下去。事實上，這最后一章也是整本書最短的一章，無論是列舉的實驗證據還是福岡的推理過程都存在不少漏洞，得出的結論并不能自圓其說。比如，福岡并沒有解釋為什么生命可以通過不斷替換新的零部件而維持原有的秩序，因為新部件和舊部件本質上是相同的。再比如，引入了缺陷基因的生命居然會誤以為自己達到了平衡，匆匆忙忙地進入了下一個階段，而且不會再回頭，這個推理過程也顯得過于草率了，得出的結論并不能讓人信服。事實上，人工誘導干細胞技術的發明已經證明生命的時間軸是可以被逆轉的，一個已經分化了的細胞完全可以在人為條件的刺激下“回到原初”，重新變成干細胞。這項技術恰好是日本科學家發明的，福岡不可能不知道，但他為了追求自己心目中的無限“詩意”，匆匆忙忙地下了結論，把一本好書毀掉了。

這個案例充分說明，科學和詩意是兩個完全不同的價值體系，前者建立在嚴格的科學實驗和縝密的邏輯推理之上，不可能像寫詩那樣天馬行空，不可能保證每一個結論都富有詩意。如果硬要把兩者扯在一起，結果不一定很美妙。但是，科學和詩意也并不會因此而變成一對矛盾，因為嚴格的科學實驗和縝密的邏輯推理本身也可以是極富詩意的，只有當我們學會了欣賞這種驚心動魄的美，科學和詩意才能完美地結合在一起。這就好比說，一個人既可以被眼前的湖光山色感動得吟詩作畫，也可以被地球生態系統的復雜關系感動得寫一篇論文，兩者都是在贊美大自然，兩部作品都飽含無限的詩意。

《生物與非生物之間》

作者：[日]福岡伸一

譯者：曹逸冰

出版社：南海出版公司

出版年：2017年3月

《生命的未來》

（The Future of Life）

作者：[美]愛德華·威爾遜

譯者：楊玉齡

出版社：中信出版社

出版年：2016年5月

《地球的法則》

（Whole Earth Discipline：An Ecopaagmatist Manifesto）

副標題： 21世紀地球宣言

作者：[美]斯圖爾特·布蘭德

譯者：葉富華、耿新莉

出版社：中信出版社

出版年：2012年5月

《尼安德塔人》

（Neanderthal Man：In Search of Lost Genomes）

副標題： 尋找失落的基因組

作者：[德]帕波

譯者：鄧子衿

出版社：夏日書屋

出版年：2015年2月