機器中的惡魔：從薛丁格的提問到資訊創造生命

名人推薦：▪ 生動活潑，最重要的是瞭解生物體中資訊流可能是我們科學拼圖中缺少的那塊。在戴維斯優雅而清晰的闡述中，資訊方法非常有前途。
——史蒂文•普爾（Steven Poole），《衛報》

▪ 重要且富想像力。
——克萊夫•庫克森（Clive Cookson），《金融時報》

▪ 精彩。戴維斯是一位頭腦清醒的作家和說故事大師。確實令人興奮，這是一本精彩讀物。
——路易斯‧達特內爾（Lewis Dartnell），《泰晤士報》（英國）

▪ 解釋最古老的問題——什麼是生命？——是物理學家戴維斯的追求。他冒險進入一個無名之地，尋找已知之外的答案。
——莉...

第四章
達爾文主義2.0

「除了演化論，生物學中的一切都毫無意義。」
——多布贊斯基（Theodosius Dobzhansky）[1]

「大自然，充滿了腥牙血爪。」丁尼生（Alfred Tennyson）在達爾文時代初期寫下了這段耐人尋味的話語。可以理解的是，當時的科學家和詩人慣於對天擇的殘酷性詳加描述，這體現在身體適應的軍備競賽中，無論是鯊魚鋒利的牙齒，還是烏龜堅硬的防禦殼甲。在殘酷的生存競爭中，很容易理解演化如何選擇更大的翅膀、更長的腿、更敏銳的視力等等。但身體——生命的硬體——只是故事的一半。與身體同樣重要的另一部分——事實上是更加重要的，是資訊的變化模式、命令和控制系統，它們構成了生命的軟體。演化對生物軟體的作用，就如同對硬體的作用；由於資訊是看不見的，所以我們不容易注意到它。我們也沒有注意到分流和處理所有資訊的微型惡魔，但它們近乎完美的熱力學表現，是數十億年演化完善的結果。[2]
這與電腦業有類似之處。三十年前，個人電腦處理速度緩慢又攜帶不便。滑鼠、彩色螢幕和小型電池等創新，使得電腦變得更有效率和便捷，因此銷量爆增。於是資本主義版本的天擇導致了電腦數量的大幅成長。但除了硬體創新之外，電腦軟體取得了更令人矚目的進步。例如Photoshop 或PowerPoint 的早期版本，與目前版本相比簡直無法相提並論。最重要的是，電腦的速度大幅提升，成本卻大幅下降。軟體改進對產品成功的貢獻至少與硬體改進一樣大。
達爾文理論發表後的一個世紀，生命的資訊故事才進入演化的論述。如今，生物資訊領域已成為一個龐大而複雜的產業，累積了驚人的數據量，也充斥著誇大其詞的言論。在國際社會的共同努力下，第一個完整的人類基因組序列在2003 年公佈，此事被譽為改變了生物學、尤其是醫學領域的重大事件。儘管這項里程碑帶來的成就重要性不容小覷，但人們很快就發現，擁有完整的基因組細節還遠遠不足以「解釋生命」。
當達爾文的演化論在20 世紀中期與遺傳學和分子生物學結合，形成所謂的「現代演化綜論」（modern synthesis），這個故事看起來似乎簡單到令人誤解。DNA 是一個實體的物體；複製它一定會產生隨機的錯誤，因此提供了天擇可以運作其中的基因變異機制。一旦列出基因及其編碼的蛋白質功能清單，其餘的就只是細節了。
大約二十年前，這種簡單的演化觀點開始站不住腳。從一份蛋白質清單到功能性的三維構造的道路非常漫長，而且如果沒有「組裝說明」，基因組計畫提供的蛋白質「零件清單」就毫無用處。即使在今天，也沒有人能夠根據基因組序列，預測生物體的實際樣子，更不用說基因組序列的隨機變化會如何轉化為表現型的變化。
基因只有當它們被表達（即被打開）時才會產生影響，而真正的生物資訊故事就是從這裡開始的，也就是基因控制和管理的領域。這一個新興學科被稱為表觀遺傳學，它比孤立的遺傳學更豐富和微妙。越來越多驅動生物資訊模式和資訊流組織的表觀遺傳因素被發現。現在，達爾文主義正在進一步完善和擴展，我將其稱為「達爾文主義2.0」，它為生物學中資訊的力量提供了全新的視角，並引發了演化論的重大修正。

電氣怪

「遺傳不僅僅與基因有關。」——雅布隆卡（Eva Jablonka）[3]

「來自太空！雙頭扁蟲震驚了科學家！」[4]2017 年6 月，英國一份網路刊物如此宣稱。這篇文章的主題是國際太空站中出現的怪物，也難免提到了「困惑的科學家」。怪物並沒有入侵太空站；牠們的出現是為了進行一項實驗，該實驗旨在觀察低等扁蟲在被砍掉頭部和尾部後，如何進入軌道。事實證明，牠們應付得很好。到頭來，每十五隻中就有一隻長出了兩顆頭，取代了原本失去的那顆。[5]
太空扁蟲只是表觀遺傳學領域蓬勃發展的一個相當戲劇性的例子。廣義來說，表觀遺傳學是研究生物體基因之外的形態決定因素（見BOX 9）。這種雙頭蟲從基因上與牠們更常見的近親完全相同，但看起來就像是不同的物種。事實上，雙頭扁蟲會繁殖，並生出更多的雙頭扁蟲，難怪科學家感到困惑不已。發現這個案例的首席科學家是塔夫茨大學的萊文，他恰好是我們在亞利桑那州立大學研究小組的合作者。
為了將扁蟲放進本文的脈絡中，請回想一下上一章中的胚胎發育（形態發生），儘管實際機制令人費解，但它仍是一個生動的例子，說明了資訊的力量如何控制和塑造生物體的形態。那時我的解釋是，構建和操作生物體所需的資訊，在很大程度上取決於系統打開或關閉基因的能力，以及在遺傳指令轉譯後影響蛋白質的能力。目前我們仍然不太清楚這種透過化學途徑調節資訊流的規則，其中牽涉到甲基、組織蛋白的尾巴和小分子RNA 等分子（見BOX 9），以及將這種基因轉換組合、與大量不斷變化的化學模式結合起來的規則。因此，表觀遺傳學開啟了更廣大的組合方式和一個充滿可能性的世界。我提到過，有種稱為形態發生素的特殊分子，它的擴散方式在控制發育的動態過程中發揮了重要作用；但事實證明，這只是故事的一部分。在過去的幾年裡，人們已經清楚地認識到，另一種物理機制在形態發生中可能發揮更重要的作用。它被稱為電轉導（electro-transduction），與電力引起的生物體形態變化有關。

第四章
達爾文主義2.0

「除了演化論，生物學中的一切都毫無意義。」
——多布贊斯基（Theodosius Dobzhansky）[1]

「大自然，充滿了腥牙血爪。」丁尼生（Alfred Tennyson）在達爾文時代初期寫下了這段耐人尋味的話語。可以理解的是，當時的科學家和詩人慣於對天擇的殘酷性詳加描述，這體現在身體適應的軍備競賽中，無論是鯊魚鋒利的牙齒，還是烏龜堅硬的防禦殼甲。在殘酷的生存競爭中，很容易理解演化如何選擇更大的翅膀、更長的腿、更敏銳的視力等等。但身體——生命的硬體——只是故事的一半。與身體同樣重要的另一部分——事實上是更...

導讀

鄭原忠 台大化學系教授，量子開放學院創辦人

我們故事從1953 年2月28日在英國劍橋市中心的 The Eagle 酒館說起。這家酒館是劍橋大學科學家和學生經常聚會的地點，牆上掛著舊飛官的照片，天花板甚至還有二戰飛行員用火柴燒出的塗鴉。那一天中午，空氣裡應該瀰漫著炸魚薯條與啤酒花的氣味，沒有人知道一場極不尋常的科學事件正在發酵。兩位身形瘦長、略顯毛躁的年輕人踏進了酒館，克里克（Francis Crick）和 華生（James Watson）。他們不是這裡最顯赫的學者，甚至還不算傳統意義上的「遺傳學家」。但當菜還沒上桌，克里克已經難掩興奮，站起來大聲宣布：「我們發現了生命的祕密！」
整個酒館正在埋頭用餐的人們突然一陣騷動，有人驚訝，有人發笑，也有人一臉茫然地看著這對過於激動的「怪人」。他們發現的，是DNA的結構——一種前所未見的雙螺旋分子，能夠儲存遺傳資訊、複製自己、甚至因為錯誤發生演化。這無疑的是一場科學革命，而它的靈感，竟來自一位完全不懂生物學的理論物理大師。
曾與愛因斯坦齊名的量子力學巨擘薛丁格（Erwin Schrödinger）在1943 年曾經在愛爾蘭都柏林三一學院發表了一系列大膽的公開演講，內容後來編成了一本名為《生命是什麼？》（What is Life？）的薄薄小書。身為波函數與「薛丁格貓」思想實驗的創造者，他對化學一竅不通，更不知道 DNA 這種分子的存在。儘管如此，他卻在《生命是什麼？》中僅僅透過邏輯推論就大膽地提出：生命的本質不是靠某種神祕的生命力，而是來自某種嵌入分子結構的「遺傳程式碼」（hereditary code-script） ——一種控制秩序、對抗混亂的有序資訊，讓生物體可以打敗熱力學的法則而發展出高度結構化與複雜的生命機制。
華生當時還只是個年輕的生物學研究生，讀到薛丁格的書時受到了重大的啟發。他後來回憶：「生命能以一份寫著祕密代碼的說明書延續下去，這個想法深深吸引了我。」於是，他隨後選擇加入克里克的研究團隊，透過物理學與 X 光繞射實驗，兩人攜手踏上破解遺傳密碼之路，最終在那間老酒館裡，向世界揭露了這個「遺傳編碼說明書」的樣貌。
在《機器中的惡魔》這本書中，你會讀到關於《生命是什麼？》以及 DNA 結構故事的詳細內容，不僅如此，本書的作者戴維斯還沿著這條路徑，試圖將問題推得更深更遠。戴維斯 是一位博學的理論物理學家，他的研究橫跨宇宙學、量子物理、熱力學與生命科學，也是多本暢銷科普書的作者。早在《宇宙的藍圖》（The Cosmic Blueprint, 1988）與《第五奇蹟》（The Fifth Miracle, 1998）等作品中，戴維斯就曾探討秩序如何自混亂中突現、資訊是否可能是生命的基本單位等重大課題。到了這本《機器中的惡魔》，他彙整三十年的思索與研究，透過大量的推理與實驗證據，說明我們應該將「生命的軟體」視為一種根植於自然法則深處的現象，其祕密應該藏於「資訊」如何塑造物質、組織秩序、甚至逆轉熵增的過程之中。
從DNA結構被揭示以來，分子生物學進入了前所未有的黃金年代。我們逐步瞭解基因如何複製、轉錄、翻譯，掌握了生命作用機制中那條從「密碼」到「蛋白質功能」的轉換路徑。這條路徑不僅揭開了遺傳疾病的成因，也讓我們能夠創造出更精準的藥物，甚至用於癌症的標靶治療。而這些突破，無一不是建立在「遺傳資訊」概念的深刻理解之上。
戴維斯主張「生命 = 物質 + 資訊」，但有別於華生與克里克 的遺傳編碼，戴維斯強調的資訊不是死板、靜態的 DNA 序列，而是能夠運作的結構邏輯，可以在不同生物作用層次上彼此互動、修正、學習。這些資訊不是只「存在」，而是具有因果效力，能夠控制化學反應、調整代謝、啟動遺傳變異、建立神經迴路、甚至維持整體系統在熵增法則之下的秩序。簡言之，資訊不是生命的附屬品，而是維持生命生生不息的控制台。
這樣的資訊，竟然還展現出讓物理學家也感到驚嘆的效率。蘭道爾（Rolf Landauer）發現，在資訊處理中，耗能的其實不是計算與測量，而是「資訊的抹除」——也就是讓過去的資料從系統中消失時，會不可避免地釋放出熱量。這不只成為低耗能電路設計的基礎（讓今天的手機不至於一運算就過熱），更令人驚奇的是，生物早已演化出近乎極限的熱力學效率：我們的大腦每秒鐘進行數十億次計算，但耗能遠比一台筆電還少。若非如此，人類可能早在發展語言前就因過熱而腦毀。
但若僅止於此，仍無法說明為什麼生命會展現出強大的適應力、可塑性與主動性，更驚人的是，生物資訊還具備自我調控與跨代傳遞的能力。表觀遺傳學的發展讓我們瞭解到，基因的表現會根據環境壓力進行動態調整，這些資訊還能遺傳給後代。戴維斯認為這說明了生命的資訊不只是 DNA 的靜態序列，而是動態、可適應、具歷史記憶的結構網絡。
戴維斯強調，蘭道爾所主張的「資訊是物理的」在這裡展現出了前所未有的穿透力。資訊不只是用來描述世界的語言，它是一種具有「因果力」的存在：它可以讓某些結果發生、而抑制其他結果的出現。這與牛頓力學中的力不同，它不是一個可見的推擠，而是一種邏輯上的必然路徑，是生命體內無數條決策路徑中資訊的分流與加總。當你細胞裡的一個基因決定要不要啟動、要做哪種蛋白質，這個選擇背後的邏輯，早已是由細胞的環境、記憶、甚至上代遺留的資訊共同決定的。
長久以來，科學家嘗試用複雜度與湧現性（emergence）來解釋生命如何從非生命中冒出頭來，因而把生命的特殊表現歸因於生物體中呈現的化學分子以及化學反應的複雜度，關於生物資訊的觀察，讓我們不得不思考：難道生命不只是化學上的複雜？是否還有一層資訊的複雜性？關於這一點，本書中有一段令人印象深刻的比喻。戴維斯引用拉贊比克（Yuri Lazebnik）的文章〈生物學家能修理收音機嗎？〉，說明如果我們只專注於分子間的交互作用以及其中複雜的生物化學，很可能就像試圖修理收音機、卻只研究控制每顆電晶體的物理定律，終究會徒勞無功。要修好收音機，你得懂的是電路學，而不是量子力學。
這正是本書在本質上對「生命是什麼」這個問題的顛覆：我們需要的不只是更精細的分子機制，而是一套能夠描述整體資訊結構與運作邏輯的語言。
戴維斯相信，在化學複雜性的深處，可能潛藏著一套描述生命資訊運作的簡單而普遍的規則，因此這本書的本質不是在批判強調化學原則的錯誤，而是在於指引一個通向解答的有效方向。這些規則可能像程式語言一樣，有其指令集、有其邏輯架構、有其模組的呼叫機制，只不過這些程式碼不是人類寫出來的，而是演化寫出來的。這就是他所說的「繪製生命的軟體迴路」：一幅跨越分子、生理與行為的資訊網路藍圖。
在書的後段，戴維斯將這些觀點延伸至兩個極具挑戰性的領域：量子現象在生物中的角色，以及生命的起源。他探討是否在生物體內存在量子運算般的現象，例如鳥類如何藉由量子疊加態導航，或光合作用如何用近乎百分之百的效率傳遞能量。而在生命起源問題上，他提出資訊的湧現可能早於基因，資訊架構可能是第一個生命的核心。這些觀點都為理解生命打開了新的視野。
除了理論建構，本書還引用了大量最新實驗成果：從系統生物學繪製的蛋白質互動圖譜，到證實壓力可透過表觀遺傳方式遺傳的研究、免疫系統的學習與記憶機制、病毒與轉錄子重構基因資料庫的能力……這些研究提供了實證支持，也讓我們更貼近一種整體性、動態性的生命理解。
最後，我想分享一個我自己的觀點。如果你曾學過寫程式，就會知道一個程式語言的指令數量通常不多。再怎麼複雜的程式，也都是幾個指令的反覆堆疊排列而已，拿到一段程式碼的時候，若只是一行行分別分析程式碼中用到的語法，甚至去研究指令如何對應到機器層級的操作，那你一定不可能真正理解那段程式的邏輯或功能。唯有從模組的互動關係、從邏輯架構中找出運作的原則，你才能理解「這段程式碼在做什麼」。對我而言，戴維斯在本書中所闡述的正是如此：要理解生命，我們不能只看「化學語法」，還要同時去理解那背後的「生命語言邏輯」。
這本書的標題《機器中的惡魔》來自馬克士威的思想實驗，那是一個關於資訊與熱力學的寓言。今天，我們終於意識到，這「惡魔」可能早就住在我們的細胞裡了。他不是破壞者，而是掌控資訊、建立秩序的生命精靈。
讀完這本書，你也許會開始重新思考克里克在 The Eagle 酒館喊出的那句話的真實意義：「我們發現了生命的祕密。」答案也許並不只藏在 DNA 的雙螺旋中，更藏在它如何運算、如何記憶、如何設計未來的能力裡。而這，就是資訊之於生命的真正魔法。

導讀

鄭原忠 台大化學系教授，量子開放學院創辦人

我們故事從1953 年2月28日在英國劍橋市中心的 The Eagle 酒館說起。這家酒館是劍橋大學科學家和學生經常聚會的地點，牆上掛著舊飛官的照片，天花板甚至還有二戰飛行員用火柴燒出的塗鴉。那一天中午，空氣裡應該瀰漫著炸魚薯條與啤酒花的氣味，沒有人知道一場極不尋常的科學事件正在發酵。兩位身形瘦長、略顯毛躁的年輕人踏進了酒館，克里克（Francis Crick）和 華生（James Watson）。他們不是這裡最顯赫的學者，甚至還不算傳統意義上的「遺傳學家」。但當菜還沒上桌，克里克已經難掩興...

推薦文 高涌泉
導讀 鄭原忠

前言
第一章 生命是什麼？
科學家常常淡化理解生命的本質和起源是件多麼困難的事情。活生生的有機體有自己的目標和目的，原子和分子只是盲目地遵循物理定律。其中區別生命和非生命的關鍵，就是資訊。
第二章 進入惡魔之身
「馬克士威惡魔」可以透過操作分子運動違背自然法則，免費將無序的熱量轉化為有用的功——這個悖論不僅關係到我們對於熱的理解，也揭示了物理系統與資訊之間的緊密聯繫，把抽象的資訊與分子物理學連結了起來。
第三章 生命的邏輯
生物資訊不僅充滿在細胞物質內，更是控制和組織化學生物活動的方式，正如程式控制電腦一般。在複雜化學反應的背後，隱藏著一張計算機邏輯的網。生命需要一種能將純粹的計算，轉變為可複製的物理構造的過程。
第四章 達爾文主義2.0
達爾文的演化論在20世紀中期與遺傳學和分子生物學結合，將複製DNA產生的隨機錯誤作為驅動天擇的基因變異機制。直到二十年前，形態發生研究和表觀遺傳開始動搖這種簡單的演化觀點，帶來長著兩顆頭的扁蟲，可控的DNA失誤，甚至有關癌症起源的新觀點。
第五章 幽靈般的生活和量子惡魔
在混亂且高溫的生物世界中，看似不會發生那些在先進物理實驗室中才能實現的「詭異」量子效應。但透過生物分子微妙的臨界導電性、綠硫菌高效的光合作用和鳥類神祕的磁場感知能力，我們知道生物確實發現了量子優勢，並抓住了它。
第六章 幾乎是個奇蹟
生命體實現了打破熵的壯舉，透過收集、處理資訊，並將其導向有目的性的活動，從分子混亂中召喚出秩序。但科學界尚未解答的最大問題是，這種獨特的安排一開始如何產生？單靠化學不足以解釋生命，我們還必須解釋有組織的資訊模式的起源。
第七章 機器裡的幽靈
隨著神經科學的發展，今天人們更願意將人視為一個單一的整體。於是，傳統身心二元論中的心靈被稱為「機器中的幽靈」。如果大腦神經迴路中流動的資訊能以某種方式產生意識，那麼心靈是不是也必須與大腦中的物質活動連結在一起？
結語
生命的遊戲會隨著自身的狀態改變規則，這使生物學難以符合物理學傳統概念上「不變的定律」的規範。為了解釋生命，我們需要一些全新的東西，也就是新的物理學。

延伸閱讀
注釋

推薦文 高涌泉
導讀 鄭原忠

前言
第一章 生命是什麼？
科學家常常淡化理解生命的本質和起源是件多麼困難的事情。活生生的有機體有自己的目標和目的，原子和分子只是盲目地遵循物理定律。其中區別生命和非生命的關鍵，就是資訊。
第二章 進入惡魔之身
「馬克士威惡魔」可以透過操作分子運動違背自然法則，免費將無序的熱量轉化為有用的功——這個悖論不僅關係到我們對於熱的理解，也揭示了物理系統與資訊之間的緊密聯繫，把抽象的資訊與分子物理學連結了起來。
第三章 生命的邏輯
生物資訊不僅充滿在細胞物質內，更是控制和組織化學...