薛丁格生命物理學講義：生命是什麼?

第一部：生命是什麼？
第一章 古典物理學家對生命問題的探討方式
第二章 遺傳機制
第三章 突變
第四章 量子力學的論據
第五章 對德布呂克
第六章 模型的探討與檢驗
第七章 有序、無序和熵
第八章 生命是以物理定律為基礎的嗎？
後記：決定論和自由意志

第二部：心靈與物質
第一章 意識的物質基礎
第二章 悟性的未來
第三章 客體化原則
第四章 算術詭論：心靈的太一
第五章 科學與宗教
第六章 感覺性質之謎

二○一六年最新版導讀

生命是什麼？ 楊啟伸

　　如果你現在拿起此書，想著這本「生命是什麼？」到底會講些什麼？能給我啓發什麼？那這篇導讀，就是要你在幾分鐘之內，知道這本書的內容精髓。於是，不論你最終是否決定擁有這本書，你都會像是已經擁有「它」，或至少認識了「它」。
　
　　直接了當地說：如果說，物質組成的原理是「化學」，物質運作的規則和描述則是「物理」的範疇，薛丁格在本書試圖用物理和化學的基本知識，來了解和說明生命的現象。但他遇到了困難：生命既不是純化學化合物的組合，也有很多行為不符合物理原則！

　　因此，對於生命體，在第一章，針對「化學」觀點方面，薛丁格首先認為，生命，仍是以原子為基礎組成，有排列次序的巨大有機體，而這有機體的運作規則和描述，可用組成原子接近統計的整體行為來看。

　　生命為何要先組合成巨大有機體，小原子或分子當生命有何不可？薛丁格認為，因為物體要大到一定程度，才能有精確的行為。小分子的運動，除了自己的動能外，還有環境的隨機力量推著，如布朗運動和擴散。如果生命不是大到可使其他運動力量足以被忽略的程度，那麼，當我問你要去哪裡時，你可能會跟我說：「我會試著去對街的超商，但我不確定我能不能走到！因為其他力量也會參與影響我往那個方向走。我可能被『推』或『擴散』到光華商場去！」。

　　薛丁格更進一步，對大有機體的集體行為和統計的關係，說明對「集體數目」開根號的值，就是和環境交互作用準確性「誤差值」的估計：大數目之下的誤差反而小。以量子力學的觀點換言之，我們必須「不能」長得和小原子一般尺寸，才得以控制巨觀行為。不僅如此，巨大有機體也因能準確控制行為，才能從事各種原本小分子不能做的事；而且所做的事，不一定和小分子本身有相關。如大腦是由無數原子所組成，但卻不是用來記錄單個原子事件。

　　作者在建立了生命是由原子尺寸的小分子所結合，成為具有行為準確性的巨大有機體後，想要找說明的例子。他似乎是受原本開布染坊，後來也研究植物的父親影響或啓發，決定用當時以植物為主的遺傳學成果為例，把基因設想為：比原子大，但卻有準確控制行為的作用單位。他準確（或賣弄）地，以人有23對、46個染色體為例，說明人類基因來自父和母減數分裂後，以各23個染色體配對。之後，同一個表現型，是由父與母各自帶著的染色體上，具有顯性或隱性之基因配對後，決定最終是顯性或隱性。他由數學機率和表現型之配合，說明基因運作原則，並提出遺傳分子雖小但穩定，以及其可能的大小尺寸。作者指出當達林頓以染色體上的橫紋（當成是一個基因）和染色體大小相除，得到基因大小是30奈米，並由此推算基因大小只是100～150個原子；雖小，但卻有不可思議的穩定性。

　　接著，作者以「突變」這個基因看得見的行為，說明基因的變化是不連續的，且是以在定點為單位地發生。作者為何要提基因運作、突變這些事呢？其實這是先設好舞台，為了要說明二件事：基因尺寸小而穩定，以及古典物理無法說明基因這種小尺寸分子穩定的原因，但量子力學可以！因為量子力學有能階（離散，非連續）的概念，可以能階差和溫度會影響穩定性兩個概念解釋基因特性。但作者也迅速地以生命化學分子有同分異構物，以及能階間的轉換有時不只需要熱能，也要能越過比變化前後兩態能量都要高的活化能門檻（或閾值）這二個觀念，做為二個修正之後，才能明確說明生命分子的穩定性（如基因突變後，仍然是穩定的）。換言之，不會隨便出門曬曬太陽，我們就變了模樣！

　　基於以上的論述，薛丁格為量子力學之所以能解釋生命，做了幾個總結式的描述。他提到，其實生命分子較類似非完美、但有週期性的晶體和固體，而非液、氣體；而且各式排列整齊且有同分異構物的分子，不需很多的數量，就可排列出數量甚大的組合（基因）。

　　猶有進者，作者對生命如何維持運作秩序、逃避直接衰退，提出了頗具爭議的「負熵」概念。大致上，熵可以用「多麼不能作功的程度」的方式來瞭解；熵越大，這個狀態越不能做功。也因此，生命結束時的熵是甚大的！熵之計算，是若吾人在絕對溫度T 提供熱量Q（卡路里）來把一個狀態改變到另一個狀態時，此時的Q/T值；所以單位是 cal/度。作者解釋，生物是用吃、喝和呼吸當材料進行新陳代謝，以獲得「負熵」！但如何得到數學式上的負值呢？若對大於0，小於1的值取對數，會得到負值；於是如果用D代表一個系統是「多麼沒有秩序」的數值，那麼，D的倒數， 1/D，就是「多麼有秩序」的程度。於是負熵，就以 k log(1/D) 來代表。其中 k 是波茲曼常數 3.2983x10-24 cal/oC。

　　最後，作者以產生有序的兩種方式來說明他的內心 OS：一個是統計型機制，用以描述由「無序產生有序」；另一種是動力型機制，用以描述「由有序產生有序」。前者為一般物理學家經常研究的；後者則較接近生命運作的實況。但兩者是一體兩面，互不衝突。事實上由研究生命的有機機械結構如何運作時，會產生新的物理原理，研究和解釋這些新的物理原理，終究能以統計型所得到的原則來解釋。

　　最新的生命科學上，已把蛋白質的結構以原子解析度解出，並用其來解釋本書所描述的所有生命現象。作者出版此文，是1944年。有趣的，是該年同時也是學者第一次證明和發表DNA這個分子是引起肺炎球菌轉變的原因！另外，大分子具有粒子和波的雙重性，也在近年被發表。大分子具有波的性質，代表同一個時間，大分子可以在一個或一個以上的地方被發現（有干涉和繞射的現象）。

　　本書作者本身，和書中所提的一些科學家的先見，完全令人讚嘆！以今日生命科學和物理、化學來評斷書中內容的對錯，固有其意義，但若以「參話頭」的精神來看這本小而影響深遠的鉅作，吾人體受到的，是融合兩個或兩個以上的學科，細思其共同性的領悟模式，是從事科學研究和學習，永久都不會過時的模式。如果你決定閱讀這本書，請細細去品味薛丁格的熱情、用心、和試圖融會貫通的美麗心靈。是的，it's a beauty!