年度物理世界圖書
《金融時報》、《星期日泰晤士報》和《電訊報》
評為年度最佳科學書籍
「生命是物理學的下一個偉大前線。」—沃克(Sara Walker)
生命=物質+資訊?
回應薛丁格「生命是什麼?」的提問,
物理學家戴維斯以「資訊」觀點,尋回物質與生命之間的失落環節
量子物理學大師薛丁格在1943年間進行了一系列以「生命是什麼?」為題的演講,其中的思索刺激了DNA結構的發現,並引發分子生物學與遺傳學的發展。但薛丁格的關鍵問題——物理學中死氣沉沉的物質,如何出現生物的活力與秩序——如今依舊等待解答。
直到現在,我們即將迎向一個能回答這個大哉問的全新科學時代。
▚▚ 在物理學面前,生命看起來就像魔法。
即使是一個不起眼的細菌,也能完成令人眼花撩亂的事情,沒有任何人類工程師可以與之匹敵。跨越世代的穩定性與創造性,複雜物質代謝的精細調和,分子水平的能量效率,以及違背「熱力學第二定律」的精神——也就是物理學世界趨向混亂與衰敗的必然趨勢。
有生命的物質中,宛若藏有「馬克士威的惡魔」,可以透過玩弄分子間混亂的運動,違反第二定律,自混亂中創造秩序。
為了剖析其中的奧秘,知名天體物理學家和科學傳播者保羅•戴維斯(Paul Davies)在一個快速發展的、沒有名字的嶄新領域中尋找答案。那是生物學、計算、邏輯、化學、量子物理學和奈米技術交叉的領域,其中共通的核心概念,就是「資訊」。
▚▚「資訊」就是物理學與生物學間,失落的關鍵環節。
在這本深入而廣泛的書中,戴維斯指出資訊在生物學和物理學之間扮演的角色。透過現代奈米技術、熱力學、電腦科學與量子理論,解釋資訊如何在物質中澆鑄生命。資訊的概念不僅改變了醫學和技術的發展趨勢,甚至能闡明我們是否是宇宙中唯一的生命這一古老問題,帶我們迎向一個全新的科學時代。
《機器中的惡魔》是一場穿越物理學、生物學、邏輯學和計算領域驚心動魄的旅程。戴維斯從生命的模糊起源一路深入驅動我們身體細胞的微型引擎,將癌症與意識、雙頭渦蟲與導航的鳥類交織在一起,揭示了生物體如何收集和處理訊息,從混亂中產生秩序,為瞭解生命秘密打開另一扇窗。
保羅•戴維斯 (Paul Davies)
亞利桑那州立大學的國際知名物理學家、宇宙學家和天體生物學家,他在該大學領導開創性的超越科學基本概念中心。他同時擔任搜尋地外文明計劃(SETI)後探測任務小組的主席,因此如果SETI成功找到智慧生命,他將是最先知道的人。為了紀念他,小行星1992OG正式更名為Pauldavies。
除了獲得許多科學獎項外,戴維斯還因其在科學和宗教方面的工作獲得1995年坦普爾頓獎——世界上最大的年度獎項。
他是二十多本書的作者,包括《上帝的思想》(The Mind of God)、《關於時間》(About Time)、《如何建造時光機》(How to Build a Time Machine)和《金髮姑娘之謎》(The Goldilocks Enigm)。目前居住於亞利桑那州坦佩。
林麗雪
吳大猷科學普及著作獎譯作類金籤獎得主,台灣大學政治學系畢業。曾任職國會助理、記者與編輯。喜愛大自然與有生命力的人、事、物,熱愛文字工作。譯有《昨日世界》、《廚房裡的偽科學》等數十本書。
除了翻譯之外,也是大自然療癒師、樸門永續設計師。
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
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。