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2026-02-01生命是什麼? 薛丁格的生物物理與分子生物革命 674 期

Author 作者 黃貞祥|清華大學生科系副教授,來自馬來西亞。粉專「GENE 思書齋」齋主。

薛丁格(右,薛丁格受邀至此地擔任教授後,便開始研究什麼是生命)和當時愛爾蘭總統德瓦來拉(Éamon de Valera,中間,創立了都柏林高等研究院,並邀請薛丁格擔任此地物理教授)於都柏林高等研究院前拍攝,為給予「什麼是生命?」演講的前一日。 (wikipedia)

此為英國生物學家克里克(Francis Crick)於1953年寫給薛丁格的信件,表示他和美國分子生物學家華生(James Waston)受到薛丁格發表《生命是什麼?》一書影響,因而走進分子生物學領域。(wikipedia)

我得先坦白一件事――我物理不好。大學時在普通物理和物理化學吃盡苦頭,那時我們生命科學系的普物居然是四學分,比不少理工科系都還重。每到期中考和期末考,總覺得自己像在溺水,用力掙扎,卻仍被波函數與摩擦係數淹沒。

在清華大學唸生命科學系的那些年,我很快發現一件讓人拍案叫絕的事:臺上的老師們,有一半竟不是「生命科學科班出身」。有的來自化工,有的半路出家自化學,還有幾位,是從物理學一路「殺」進來的。如今,我的幾位優秀同事也是如此。

這群物理人講起生命現象時,滿口的不是細胞膜、胺基酸或轉錄因子,而是能量守恆、資訊流動、數學模型。他們談生命,如同談一場宇宙運算――精準、冷靜、卻充滿詩意。那股跨界的氣魄,讓我第一次真正體會「科學無疆」的意涵,也讓我開始懷疑:生命的奧祕,也許不在顯微鏡下,而藏在公式與法則之中。

那時候,我覺得他們像魔術師,用方程式預言細胞的命運,用熱力學解釋生命的堅韌。當我第一次聽到「生命違反熵增」這句話時,我的世界彷彿被重新點亮。原來物理不是敵人,而是另一種語言――能翻譯出生命的邏輯與靈魂。

經過多年後,我的研究領域落在了演化發育生物學(evolutionary developmental biology, evo-devo)與分子演化。演化 ,不再只是錯誤的積累,而是資訊的重組;發育,不再只是基因的執行,而是演算法的即興演奏。生命的劇本,寫在分子之間,也在時間的流裡。當我看著顯微鏡下細胞的分裂、融合與消逝,彷彿看到一場交響――由分子奏出秩序,由混亂孕育新形態。

我想起那段年少時光,滿懷好奇地望著那些物理學家講生命,腦中浮現另一位跨界的巨人――克里克。他原是物理人,卻一頭栽進生物學,用數學直覺與實驗識,與去(2025)年下旬已故的華生(James Watson)攜手畫出了 DNA 雙股螺旋。那時沒有超級電腦、沒有巨額經費,只有的是幾張富蘭克林( Rosalind Franklin)及她學生拍攝 X 光繞射的影像與一腔熱血。當他們在英國劍橋的老酒館 TheEagle 舉杯高喊:「我們找到了生命的祕密!」時 , 誰能想到 , 那一聲豪語將開啟人類理解自身的全新時代?科學的浪潮,總在不經意間翻湧,不在實驗室的冷光裡誕生,而在啤酒的泡沫與靈光閃現的瞬間成形。

大概 20 多年前,我也去過那間酒館。朋友半哄半拉地帶我去,說不去等於褻瀆歷史。我坐在那張被時光磨亮的木桌前,點了幾杯艾爾啤酒。那空氣裡瀰漫著歷史的酒香與智慧的殘響。酒過三巡,腦海裡突然浮現奧地利理論物理學大師薛丁格(Erwin Schrödinger)的經典問句:「 What is life ?」那不是哲學課上的玄思,而是一顆引爆現代分子生物學的思想原子彈。

那一刻,我終於明白為何物理學家如此著迷生命――他們看到的,不是酵素如何催化,也不是基因如何表現,而是在一片混沌中,如何誕生出一套能自我組織、自我複製、自我修復的秩序?他們凝視的,不是細胞,而是宇宙中最頑強的秩序之火。那火,既冷靜又熾熱,燃燒在數學的曲線與蛋白質的折疊之間,閃爍著理性的光輝,也映照著人類的好奇心。


生命裡的逆熵理論

對物理學家而言,生命像是熱力學的叛徒,是熵增法則下的奇蹟,是混亂世界裡的一縷秩序之光。這並非指生命豁免於物理定律,而是它演化出了一套精巧的對抗策略。根據熱力學第二定律,封閉系統的「熵」必然隨著時間增加,最終趨於混亂與死寂;然而,生命本質上是一個「開放系統」,它透過攝取低熵的能量來驅動體內的有序化運作,無論是來自太陽的光子,還是化學鍵結中的自由能。

薛丁格在《生命是什麼?》(What is Life?)中精確地指出,生命看似「逆熵」,實則是以自由能維持局部有序、並把熵輸出到環境的開放系統。換句話說,生命是透過不斷汲取「負熵」來抵銷自身產生的亂度。這就像是在一場註定崩塌的大雪中,生命藉由持續輸入能量與資訊,不僅修補了結構的頹圮,更將原本隨機碰撞的分子,編織成具備自我修復與複製能力的「非週期性晶體」。這種在動態平衡中維持的高度秩序,讓生命在宇宙趨向混亂的宏大背景下,顯得如此格格不入卻又燦爛無比。

那一刻,我也中了這股魔咒,從那杯啤酒開始,我踏上了一條追問生命的長路。從此,每一個問題,都像是薛丁格的貓――在觀測之前,既真又假,既死又生;在探索之後,化為新的秩序與啟示。

薛丁格在《 生命是什麼?》中,以量子力學的筆觸寫下生命的序章。他提出「非周期性晶體」與「負熵」的概念,為生物學種下新思想的種子。……【更多內容請閱讀科學月刊第674期】