薛定谔 vs 达尔文：生命是什么

引言#

这是一场跨过世纪的编排，不是同桌谈话。查尔斯·达尔文（Charles Darwin, 1809—1882）在 1859 年 11 月 24 日出版《物种起源》，1882 年去世；他不知道染色体的化学身份，也不知道量子力学。

埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger, 1887—1961）1943 年 2 月在都柏林三一学院、爱尔兰高级研究所主办的公开讲座上讲“生命是什么”，讲稿 1944 年成书。薛定谔 1961 年去世，可以看见 1953 年以后遗传分子的轮廓，但本书的核心论点写于那之前。两人从未相遇。把他们放进同一场对话，是为了把两种已经写下来的语言——热力学与自然选择——硬碰在一起。

薛定谔问：生命如何在热力学第二定律面前站住？遗传物质必须是怎样一种物理对象，才能把一份“密码本”稳定地传下去？达尔文问的是另一件事：适应从何而来？多样性如何在没有设计者的情况下累积？一个用物理定律的语言描述生命，一个用遗传、变异和选择的语言描述生命。

这场对话探讨：生命能否用物理学定律来解释？物理学和生物学在理解生命时是什么关系？

第一幕：物理学与生物学#

薛定谔：达尔文先生，让我从一个大胆的主张开始。我认为，生命最终可以用物理学定律来解释。物理学是最基本的科学——化学、生物学都建立在它上面。生命复杂，但它仍然是物理现象。不是另一种魔法。

达尔文：薛定谔先生，我不确定我同意。我的进化学说不从力学方程出发。它从三件能在农场和野外看到的事出发：后代像亲代，但不完全像；有些差异有助于活下来并留下后代；能遗传的差异会在世代里被保存。这些词在您的物理学里没有现成的对应物。

薛定谔：可遗传必须有物质载体。您的时代没有人知道那载体是什么。您自己试过“泛生论”——身体各处放出微芽，汇到生殖里。那个图景后来站不住。我在 1944 年的小书里换了一个物理问题：染色体纤维必须是一种“非周期性晶体”。普通晶体像墙纸，同一图案重复；非周期性晶体像拉斐尔的挂毯，图案不呆板重复，却仍是固体，足够稳，能把一份差异编进去。

达尔文：晶体、挂毯，我听得懂作为比喻。可您若接着说，后来的化学家给那条纤维起了一个分子名字——我 1882 年就不在了，不能假装自己见过它。我能坚持的只有这一句：无论载体是什么，它必须既能相当忠实地复制，又偶尔走样。走样若全然不能遗传，选择就没有原料。

薛定谔：正是。我谈的是物理约束，不是一份实验室规程。那份“密码本”必须用共价键这类稳的结合来写，才扛得住室温下的热运动。后人怎样在台上认出那条纤维，不是这本书要写的事，也不是我要教您的事。

第二幕：负熵与自然选择#

薛定谔：让我陈述核心论点。热力学第二定律说，封闭系统的熵——粗略地说，无序的程度——趋向增加。一切会滑向平衡。生命看起来像在反抗：细胞、器官、整体，都维持着高度的有序。我的说法是：生命以“负熵”为食。它不是废除第二定律，它是开放系统。它从环境里汲取有序，把无序排出去。新陈代谢，就是把熵导出体外。

达尔文：这个说法很有趣。可它解释不了我最看重的那件事：适应。生命不只是“有序”。一座雪花也有序，一枚晶体也有序。一只眼睛的结构精密地对准了成像的需要——这种“对准”，负熵这个词包不住。

薛定谔：适应可以用物理过程来看。自然选择像一种优化：使生物体的结构越来越贴环境。优化是可以写进数学的。

达尔文：优化需要一个被优化的量。在选择里，那个量是“适应度”：谁留下更多能再繁殖的后代。适应度不是力学量。物理学可以数热量、数粒子，它不能先于生物学告诉我：什么叫活得下去。家养鸽子里哪一种喙更讨人喜欢，要看饲养者的口味；野外哪一种喙更有利，要看能吃到什么。这都不是熵产率的符号能预先给出的。

薛定谔：我承认。“以负熵为食”回答的是生命如何避免立刻热死，不是回答喙为什么是那种形状。两问不是同一问。

第三幕：信息与物质#

薛定谔：让我把“密码本”说具体一点。周期性晶体能编码的东西很少，格子一确定，内容就穷了。非周期性排列能在不大的原子数目里写下极多可能。我把它比作莫尔斯电码：点和划的不同编排，足以写出整份报文。染色体分子若是这样一份报文，它就能在发育里被读成个体的未来轮廓。

达尔文：报文要有人读，才成其为报文。一串符号本身没有意义。它只在活着的身体这个语境里，才变成“使血液载氧”或“使种子更硬”的指令。语境不是一条力学定律。

薛定谔：语境也可以被说成分子之间的相互作用，而相互作用服从物理学。

达尔文：相互作用说明“如何发生”，说明不了“算不算一种功能”。一段报文在这个身体里做成这种蛋白、在那个身体里做成那种蛋白——分别不在于您能否写出势能，而在于它对生存和繁殖做了什么。功能是生物学词。我在《物种起源》末页写过那片“纠缠的河岸”：草木、鸟、虫、蠕虫叠在一起。那幅画面里的秩序，是关系的秩序，不只是分子的秩序。

薛定谔：功能当然可以从结构谈起。一种蛋白能结合氧气，是因为它的三维折叠；折叠由力学和化学决定。

达尔文：即便如此，“结合氧气为什么算一件要事”仍不是物理学问题。在缺氧的环境里它是要事，在别的环境里它可能什么也不是。物理学解释“如何”；“为何重要”要回到选择。

第四幕：热力学与进化#

薛定谔：让我用热力学的语言重述进化。选择可以被看成一个使生物更有效汲取自由能的过程。活得久的，往往是更会用环境能量的。

达尔文：这只覆盖了一部分。选择不只关于活着，更关于繁殖。一个身体可以极善于利用能量，若它不留下后代，它的性状就断了。我甚至花过整本书谈性选择：孔雀的尾巴耗能量、惹注意，却仍被留下，因为它影响的是交配，不是节俭。

薛定谔：繁殖也可以写成有序结构的自我复制。复制耗能，但只要总熵增加，热力学就允许。

达尔文：允许，不等于说明。自我复制传递的是我当年叫“遗传”的那份相似性，不是一包热量。热量会散。那份相似性必须在世代之间对得上，偶有差错，差错还得能再被选择。这需要一种不同于热机的描述。您自己也把两件事分开了：一种是统计物理里“从无序中出来的有序”，靠大数；一种是生命里“从有序中出来的有序”，靠那份稳的密码本。后一种，正是我的遗传所要求的，尽管我当时说不出它的物理样子。

薛定谔：对。时钟的齿轮不怕室温的热抖动，因为固体里的结合够硬。生命若要把秩序沿时间传下去，也需要这种“硬”的载体。德尔布吕克他们 1930 年代对突变的靶理论，给了我胆量：基因可以是分子，突变可以是分子尺度上的跳跃，而不是某种生命力。

第五幕：目的与机制#

薛定谔：达尔文先生，更根本的一问。生命有没有“目的”？物理学里没有目的，只有机制。粒子不“想”去哪儿，它们服从力。可生命看起来有目的：要活、要繁殖、要适应。

达尔文：生物没有真正的目的。“目的”是我们对选择结果的人格化。我说“鸟的翅膀是为了飞”，不是说鸟起心动念要长翅膀。我是说：在曾经存在过的变异里，能飞的留下了更多后代。剑桥读书时人人读佩利的《自然神学》，钟表指向钟表匠。我花了半辈子把那只表拆掉：看起来像设计的东西，可以由没有预见的过程堆出来。

薛定谔：可语言仍在分叉。物理学用“因为”：因为有力，所以运动。生物学用“为了”：为了飞，所以有翅膀。

达尔文：那种“为了”是隐喻，不是真正的目的论。自然选择盲目。它没有蓝图，没有对未来的计算。我自己也曾为“渐变如何跨过无用的中间阶段”发愁，那是经验问题，不是请设计者回来的理由。

薛定谔：即使过程盲目，结果仍看起来有目的。眼睛像为了看，翅膀像为了飞。盲目如何生出“像有目的”？

达尔文：这正是选择让我吃惊的地方。不需要物理学以外的额外原理，需要的是时间、可遗传的变异，以及并非所有后代都能活到繁殖的那种吝啬。我不知道变异在分子上如何发生。我只坚持：变异相对于“何者为有利”必须是盲目的。若生物能按需要发明自己的变异，选择就多余了。

第六幕：量子与生命#

薛定谔：让我谈一个 1943 年的猜测。遗传突变可能是量子事件：一次跃迁、一次键的改写，足以让那份密码本改一个字。若真是这样，量子力学就在生命的源头上起作用。我问过：现有的物理定律够不够，还是生命要求某种尚未写出的定律？我倾向于：也许不必发明新定律，但必须认真对待单个分子的量子稳定性——这不是统计物理习惯的大数游戏。

达尔文：这个猜测我无法判定。量子力学这个词在我生前还不存在。我能说的只有：无论变异的物理原因是闪电、热，还是您说的量子跳跃，选择仍然只作用于结果。一只喙是深是浅，选择看的是种子，不是那次跳跃在方程里的名字。

薛定谔：量子力学引入的是真正的随机：不是因为我们没测全，而是理论本身只给概率。若突变是量子事件，进化的原料里就有这种随机。

达尔文：随机性在进化学说里本来就是核心。变异必须相对于适应度是随机的，选择才有工作可做。请不要把我说成“一切皆偶然”——偶然的是变异的方向，不是变异之后那台筛选机器。筛选极严。大多数改变是有害的，被丢掉。留下的那一小撮，看起来才像有人安排过。

薛定谔：那么物理学或许只提供随机的微跳，生物学提供那台筛选机器。两者不是互替，是接力。

第七幕：还原论与涌现#

薛定谔：面对还原论的挑战。您可以说，生命不能还原为物理学，因为生命有“涌现”的特征。我想反驳：涌现不违反物理定律。它是定律在复杂系统里的表现。流体从分子来，并不使流体力学变成奇迹。

达尔文：涌现不只是“变复杂了”。它是一种在新层次上才能说清的因果。水分子的清单很难让人直接读出“流动性”；基因的清单也很难让人直接读出“自然选择”。选择是群体里发生的事：谁繁殖得多。那是另一层语法。

薛定谔：原则上，流体力学可以从分子物理学推出来。推起来极难，不等于推不成。

达尔文：实践上我们仍需要流动性、适应度这些词。不能从底层“还原出来”的，常常是我们说话的单位。我并不否认我的身体服从化学。我否认的是：有了化学，就可以把《物种起源》当作一本多余的书合上。

第八幕：对话的总结#

薛定谔：我们的对话把物理学和生物学之间的张力摊开了。我仍认为，生命最终必须与物理学相容——因为没有一种生命能在第二定律之外另立门户。我也承认，生物学有自己的概念：适应、繁殖、谱系。它们大概不能被一条熵的不等式写尽。

达尔文：感谢您把相容说成相容，而不是吞并。生命最要紧的特征——适应、繁殖、世系里的分支——需要生物学的词。物理学可以给载体和能量账本。它给不了“为何是这种喙而不是那种”的全部答案。

薛定谔：也许站得住的是层次上的多元：物理学、化学、生物学各有合法的问题。不必把每一句都翻译成最低一层的语言才算科学。

达尔文：这是我可以共同接受的结论。生命的困难处需要不止一种目光。没有一种目光是完整的。我只求：在谈“设计”的地方，先把选择说完；在谈“违反热力学”的地方，先把开放系统说完。两句都说完，神秘会少一些。

分析#

薛定谔和达尔文代表两种理解生命的方法。薛定谔的物理学方法问的是物质条件：生命如何在熵增的世界里维持有序，遗传如何写在一种足够稳定、又足够不规则的固体上。他的关键词是负熵、非周期性晶体、从有序到有序。达尔文的生物学方法问的是历史条件：没有设计者，适应如何累积。他的关键词是变异、遗传、选择。

两种方法各有边界。薛定谔 1944 年的书没有、也不可能写出后来称作遗传分子的化学结构；它给出的是约束：载体必须像一份可读写的固态报文。达尔文不知道变异的物理原因，这是他公开承认的无知，不是理论的漏洞；选择理论要求的是变异相对于适应度为随机，而不是一份分子说明书。把“生命是物理的”说成“生物学是多余的”，或把“选择解释适应”说成“生命违反物理学”，都是把两问压成一问。

当代启示#

在合成生物学和量子生物学被认真讨论的年代，这场跨世纪的对谈多了一层意思。合成生物学问的是：若生命的报文真可以用物理化学改写，工程上能走多远——这是薛定谔那条“密码本”路线的下游，不是达尔文现场能回答的。量子生物学问光合作用、酶催化里有没有需要量子相干或隧穿才能说清的步骤；即便有，选择仍然只看见结果。两问仍应分开。薛定谔死于 1961 年，看不到后来的多数实验；把 1944 年的猜测写成已经证实的分子工艺，是把一本薄薄的物理小书读过了头。

延伸阅读：薛定谔《生命是什么》（1944）；达尔文《物种起源》（1859）；Paul Davies《生命与新物理学》