薛定谔——赋予生命科学以革命性契机的理论物理学家

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薛定谔（Erwin Schrdinger, 1887～1961）,奥地利理论物理学家。1906年至1910年在维也纳大学物理系学习。1910年获博士学位后，在维也纳大学第二物理研究所工作。1921年至1927年在瑞士苏黎士大学任数学物理教授，1927年接替普朗克到柏林大学担任理论物理学教授。出于对纳粹政权的愤慨，1933年移居英国牛津。1939年转到爱尔兰，在都柏林高级研究所工作了17年，直到1956年返回奥地利。1961年元月在奥地利阿尔卑巴赫山村病逝。8 E: L6 r; Q1 X  k7 H

- X) J! ^3 I8 D薛定谔最杰出的贡献是在1925年底至1926年初提出了用波动力学方程来处理电子运动问题，得到了与实验数据相符合的结果，这一方程以后被称为薛定谔方程。他还证明了波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，是量子力学的两种形式。为此，薛定谔荣获1933年的诺贝尔物理学奖。以后，他致力于研究有关波动力学的应用和统计诠释，以及广义相对论和统一场论问题。
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1944年，薛定谔发表《生命是什么》一书。在书中，他试图用热力学、量子力学等理论来解释生命现象，引入了负熵、遗传密码、量子跃迁式的突变等概念，这些概念至今仍有着广泛的影响。他是公认的分子生物学的先驱。
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6 ]/ F4 {% K* x8 x, e1 @物理学家们如何看待生命的本质
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5 K5 e: J, w+ A( p7 r5 a; m3 ^! [生命究竟是什么？生命运动有没有规律？多少年来，人们都在积极思考这些问题。20世纪以来，随着物理学和生物学的发展，物理学不可避免地向生物学渗透。早在20世纪初，美国遗传学家摩尔根的一位小有名气的同学洛布就提出，生命运动的规律同一般的物理学和化学的规律是完全一致的。所以要理解生命现象，就必须用物理学、化学的观点，用实验、定量的方法来研究生物学。
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0 ?) Z3 s7 z) M物理学家们也饶有兴趣地议论生物学的问题。30年代，丹麦著名的物理学家、量子论的奠基人玻尔对于生命问题发表了非常有意义的见解。1932年他在题为“生命和光”的演讲中指出，试图把有机体简单地还原为化学的相互作用来回答“生命是什么？”的问题，就如同试图画出每个电子的位置来描述原子一样困难。简单地将生物体分解为其组成部分的化学系统，那样机体就不能活了，就成为另外的不同系统了。在生物学里承认生命的存在是一个给定的基本事实。旧的概念，即机械论对此不可能作出满意的结论。生物学也必须像物理学那样，当它运用新的概念和新的研究方法时，就能上升到新的认识水平。玻尔天才地预示了物理学与生物学或许也是互补的，这两者相结合将对生命现象作出满意的解释。
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! S7 t+ B2 p5 q3 d& l玻尔的思想启发了他的学生德尔布吕克。德尔布吕克20年代到玻尔的理论物理所工作过两年。30年代他到美国的加州理工学院，与摩尔根等遗传学家交往甚密，兴趣转到了生物学上。德尔布吕克认为，经典物理学和化学不能为基因如何体现其功能提供充分的描述，某些其他的方法比旧式的机械论更能说明问题。他在美国创建了著名的噬菌体小组，以噬菌体为对象研究起基因来。他的小组作出的杰出贡献是确立了主管遗传的不是蛋白质，而是DNA（脱氧核糖核酸）。
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9 N1 X$ U4 [, \) ^关于生命是什么的物理学新观念
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/ y. l& g9 w  H! w使现代物理学与生物学实现“互补”并取得卓越成就的，是薛定谔。薛定谔是量子力学的奠基人之一。他建立了描述微观粒子的运动方程——薛定谔方程，奠定了波动力学的基础，为此荣获了1933年的诺贝尔物理学奖。薛定谔与玻尔交往很深，与德尔布吕克也是好友，他充分了解德尔布吕克关于遗传方面的研究。薛定谔出于对科学统一的信念，以及对奇妙的生命现象，如遗传性状的不变性和新陈代谢等的深入思考，运用现代物理学的理论和方法剖析生命现象，提出了一系列有价值的见解。1944年，反映他主要思想的名著《生命是什么》问世。& V7 D0 J! F; b/ V: o" I; f+ o' ]
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薛定谔认为，复杂的生命现象是无法归结为物理学的普通定律的。我们不必为此感到沮丧，因为这是预料之中的事情。这不是因为生命体中有一种“新的力量”在起作用，而是因为生命体的构造同在物理实验室里实验过的任何东西都不一样。他说，要发现在生命物质中占支配地位的新定律，这些定律既非超物理学定律，也不能称为非物理学定律，而是迄今为止已确立的“物理学定律”，以及迄今还不了解的“物理学的其他定律”。7 p0 E4 G" z# [% m/ o6 r
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薛定谔在前人把新陈代谢解释为物质交换和能量交换的基础上，参照热力学定律，引入了“负熵”的概念。由热力学第二定律可知，孤立系统中不可逆的过程，其熵值总是趋向增加，系统趋于几率增大的无序状态，直至达到热力学平衡。而生命却是物质有秩序、有规律的行为，生命有机体作为宏观系统能保持自身的高度有序状态和不可几状态，避免很快衰退到平衡态，并不断向有组织性的方向进化。应当怎样解释生命物质的这种功能呢？薛定谔认为：“一个生命有机体要活着，唯一的办法就是从环境中不断地汲取负熵。……有机体就是依赖负熵为生的，或者更确切地说，新陈代谢中本质的东西，乃是使有机体成功地消除了当它活着时不得不产生的全部的熵。”他以高等动物为例，认为它们正是从极有秩序的作为食物的、复杂程度不同的有机物中不断吸取秩序，维持自身组织的高度有序水平的。
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决定生物性状的遗传密码的设想: S# k- W6 T; L7 n& O/ Y1 ?

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) o$ n& I- n' y' t; {$ j- |* Y薛定谔在《生命是什么》这部著作里，对于染色体如何决定生物体的遗传性状作了最初的设想。他发挥了德尔布吕克的思想。德尔布吕克曾猜想过，基因在世代相传中之所以保持其结构不变，是因为染色体（基因是它的一部分）是像非周期性晶体那样构造的。薛定谔提出了基因大分子是一种由同分异构元素连续组成的非周期晶体，像稳固的晶体结构一样，它的稳定是由于原子间的海特勒—伦敦键（一种化学上的共价键）的作用。他指出，染色体是以遗传密码的形式来决定生物体的遗传性状以及生物体未来发育的模式的。可是在微小的遗传物质中，怎么能包含那么多性状的密码呢？他说，就是这种同分异构的非周期晶体结构，“提供了各种可能的（异构的）排列，在它的一个很小的空间范围内，足以体现出一个复杂的‘决定’系统。真的，在这种结构里，不必有大量的原子就可以产生出几乎是无限的可能排列”。他天才地预示，莫尔斯电报密码只用点与划两种符号，如果每一组合用的符号不超过4个，就可编成30种不同的代号；如果在点与划之外再加上第3种符号，每一组合用的符号不超过10个，就可以编出88572个不同的字母。因此“就基因分子的图式来说，微型密码丝毫不错地对应于一个高度复杂的特定的发育计划，并包含了使密码发生作用的手段，这一点已经是不再难以想象的了”。  s# i7 n# L) w' }+ Y, [  w

0 _4 D$ `! ?" `) T# s2 V7 K6 t薛定谔第一次把量子力学中的“跃迁”概念用来解释基因突变的原因。他说：“突变实际上是由于基因分子中的量子跃迁所引起的，这种变化在于原子的重新排列并导致了一种同分异构的分子。”对比原子的平均热能，这种构型变化的阈能很高，以致变化的几率极低，这种罕见的变化就是自发突变，它们成为自然选择的基础。6 k% T) |3 F! }/ B# P+ a1 \: ]
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现代生物学革命的契机
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( W/ l9 n( _: N0 g4 s  e薛定谔在《生命是什么》一书里，倡导从分子水平来探索遗传机制和生命本质，引入了“负熵”、“遗传密码”等一系列新概念。在方法论上，他强调以物理学和化学的理论、方法和实验手段来研究生物学，并率先在这方面做了大胆的尝试。《生命是什么》在西方科学界产生了深刻的影响。
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2 P0 m1 j  F/ f4 }4 O* N第二次世界大战结束期间，许多物理学家面临着职业选择。原子战争的恐怖和物理学可能导致的毁灭作用，使许多物理学家，尤其是年轻的物理学家重新考虑他们的工作能否给人类带来幸福。一些人感到量子理论的大发展时期已经过去，他们所能做的工作或许仅仅是完善理论的内容或改正某些细节而已。薛定谔在此时提出用热力学和量子力学来研究生命的本质，并认为新的物理学定律将在这种研究中被揭示出来，这对一批年轻的物理学家有着极大的诱惑力，吸引他们投身于这个充满希望的领域。1962年诺贝尔生理学奖的获得者沃森、克里克和威尔金斯，都是受薛定谔思想的影响从物理学领域转到分子生物学研究上来的年轻学者。战后，正是受《生命是什么》的影响，克里克放弃了研究基本粒子的计划，选择了“原来根本不打算涉猎的生物学”，而部分由于原子弹对物理学失去兴趣的威尔金斯，“为控制生命的高度复杂的分子结构所打动”，“第一次对生物学问题发生了浓厚的兴趣”。沃森则是在大学期间读了《生命是什么》而“深为发现基因的奥秘所吸引”。他们三人因在1953年发现DNA的双螺旋结构而荣获诺贝尔奖。; X8 b4 n" M& k. d$ z

8 ~8 a. ?  |2 h# v. p) }! r威尔金斯认为尽管薛定谔不是一个纯粹的生物学家和化学家，但他的著作之所以有影响，其中一个原因就恰恰是因为“他是作为一个物理学家来写作的，如果他作为一个正式的大分子化学家来写，或许就不会有同样的功效”。正是从一个理论物理学家的角度，薛定谔对生命物质和遗传机制的研究开辟了一种全新的途径，促成了现代生物学从定性描述到定量研究，从强调整体到重视具体机制，从强调生命与非生命的差别转到强调两者之间的统一性，从单科研究转到多学科综合研究的重大转折；同时促进了分子生物学的诞生。日本遗传学家近藤原平评价说：“给予生物学界以革命契机的是一本叫做《生命是什么》的小册子。它所起的作用正像《黑奴吁天录》这本书成为奴隶解放的南北战争的契机一样。”8 V. s0 _+ Y0 l: ~7 `4 l

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7 O" B) s' Q& \" ]) w* s8 OPDF电子书：《生命是什么？》---薛定谔 http://www.stemcell8.cn/thread-17374-1-1.html
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