第1章
生命是什么？
1943年2月，物理学家埃尔温·薛定谔在都柏林圣三一学院发表了题为《生命是什么？》的系列演讲。薛定谔蜚声全球，是获得过诺贝尔物理学奖的名人，也是量子力学这一有史以来最成功的科学理论的缔造者。在20世纪20年代该理论最初形成的几年时间内，量子力学已经成功地解释了原子的结构、原子核的属性、放射性、亚原子粒子的行为、化学键、固体的热力学性质和电性质，以及恒星的稳定性。
薛定谔对量子力学的贡献始于他在1926年提出的一个新公式，该公式至今仍以他的名字命名，它描述了电子和其他亚原子粒子是如何运动和互相作用的。接下来的大约10年是物理学的黄金时代，几乎在每一个前沿领域，物理学都取得了重大进展——从反物质和宇宙膨胀的发现到预测中微子和黑洞的存在——这在很大程度上要归功于量子力学解释原子和亚原子世界的力量。但随着1939年第二次世界大战爆发，这一黄金时代戛然而止。很多科学家离开了纳粹统治下的欧洲，去往英国或美国，为盟军出力。薛定谔也加入了流亡队伍，在1938年纳粹占领奥地利后，他离开了自己的家乡。他决定在中立国爱尔兰安家。爱尔兰总统埃蒙·德·瓦莱拉也是一位物理学家，并于1940年在都柏林创建了一所新的高等研究院。在瓦莱拉的亲自邀请下，薛定谔带着他的妻子和女佣来到爱尔兰，并在那里待了16年。
在20世纪40年代，生物学的发展远远落后于物理学。关于生命基本过程的细节仍是一个巨大的谜题，而且生命的性质似乎违背了物理学的一个基本定律——热力学第二定律。根据该定律，宇宙万物普遍倾向于衰败和无序。在都柏林的演讲中，薛定谔提出了这样一个问题：“发生在生物体空间边界内的时空事件，如何用物理学和化学来解释？”换句话说，生物体令人困惑的属性最终能否被还原为原子物理学或者其他事物呢？薛定谔提出的这个问题非常重要，因为生命要从无序中产生有序，并符合热力学第二定律，就必定存在分子实体。该实体能够以某种方式为形成生物体而编码指令，同时其本身要足够复杂，以嵌入大量信息；此外，它还要足够稳定，以对抗热力学的降解效应。现在我们知道，这种分子实体就是DNA。
随着薛定谔提出这些极为敏锐的洞见，以及他的系列演讲在第二年被结集出版，分子生物学领域迎来爆发式发展。紧随其后的是，科学家阐明了DNA的结构，破解了遗传密码，并将演化论（亦称进化论）与遗传学整合起来。分子生物学取得了如此迅猛、如此广泛的成功，以至于大多数科学家都采纳了一种强还原论：生物体那些令人惊讶的性质最终似乎的确可以单靠原子和分子物理学来解释，而无须借助任何全新的理论。但薛定谔的态度并不那么乐观，他写道：“……尽管就目前所知，生物体还没有摆脱‘物理规律’，但它有可能涉及我们迄今尚未发现的‘其他物理规律’……”[1]在这个问题上，不只是他一个人这样认为。尼尔斯·玻尔和沃纳·海森堡等量子力学的其他缔造者也觉得，解释生物体的性质可能需要新的物理学来发挥作用。
强还原论至今仍流行于生物学领域。传统观念坚信，已知的物理学足以解释生命现象，尽管大多数细节问题还未完全搞清楚。我不同意这种看法。与薛定谔一样，我认为生物体清楚表明了更深层次的新物理学原理的存在，并且我们正处在揭示和利用这些原理的临界点上。今日与过往有何不同，为什么我们花了好几十年的时间才发现了生命的真正秘密？答案在于，这种新物理学并不涉及额外的力，比如“生命力”，而是发现了更微妙的东西，它能让物质与信息、整体与部分、简单性与复杂性交织在一起。
这种东西就是本书要探讨的核心话题。
迷箱1
有魔力的生命
当被问到“生命是什么”这个问题时，我们常会想到生命的诸多属性。生物体会繁殖；会通过演化探索无尽的新奇事物；会沿着无法预测的轨迹徜徉在可能的空间中，发明全新的系统和结构；会使用精密的算法制定生存策略；会从混沌中创造秩序；会对抗退化和衰变的宇宙潮汐；会呈现清晰的目标，并利用各种能量去实现这些目标；会形成令人难以想象的复杂网络，既合作又竞争……要想回答薛定谔的问题，我们必须欣然接受生命的所有属性，将各个科学领域的知识点整合成一个统一的理论。
将逻辑和数学的基础、自我指涉的悖论、计算理论、热机科学、纳米技术领域激增的研究成果、远离平衡态热力学的新兴领域和神秘的量子物理学整合起来，这绝对是一种智力探险。所有这些主题的统一特征就是信息，信息既是一个常见又实用的概念，也是一个抽象的数学概念，它建立在生物学和物理学的基础之上。
查尔斯·达尔文写过一段著名的文字：“凝视树木交错的河岸，许多种类的植物覆盖其上，群鸟鸣于灌木丛中，各种昆虫飞来飞去，蚯蚓在潮湿的泥土里爬过，表明这些构造精巧的生命形式彼此不同，却又以复杂的方式相互依存，它们都是由在我们周围发生作用的法则创造出来的。”[2]然而，达尔文没有想到的是，串联起这种显而易见的物质复杂性（生命的“硬件”）的东西，竟然是更令人惊叹的信息复杂性（生命的“软件”）。后者对我们而言是隐性的，却为生物体的适应和创新提供了帮助。正是在信息领域，我们邂逅了生命真正的创造力。如今，科学家正在将硬件叙事和软件叙事融合成一种新的生命理论，该理论适用面甚广，涵盖从天体生物学到医学的诸多领域。