探索物理学规律和生物学规律的交叉地带。
牛津英语词典是大家都认可的知名权威工具书，但它对物理学的定义——“研究非生命物质和能量性质的科学分支”——显然并不全面，因为物理学同样研究生命。早在1900年，物理学家召开第一次国际大会时就报告过生物学方面的研究。如今，物理学和数学仍旧在帮助生物学家认识生物。
反过来，生物学也对物理学有显著的促进作用。20世纪40年代，爱因斯坦和薛定谔（相对论和量子物理学的奠基人）就预言，重大生物学问题的解决也能推动物理学的发展。事实证明，他俩是正确的：如今，在研究者的探索中，“信息”绝不是一种定义模糊的概念。相反，无论是在物理学领域，还是在生物学领域，信息都已经成为具有深刻内涵的明确统一概念。
爱因斯坦认为，生物学研究可以拓展物理学领域。“对候鸟和信鸽的研究，或许会在将来某一天推动我们对一些未知物理学过程的认识。”他这样写道。
将物理学和数学引入生物学的第一次重要工作出现很早。1917年，苏格兰生物学家、博学家达西 · 汤普森（D' Arcy Wentworth Thompson）出版了《生长与形态》（On Growth and Form）一书；1942年出版的该书第二版更是长达1 116页，堪称皇皇巨著。汤普森在书中解释说，生物体的结构“符合物理学和数学规律”。他提出，达尔文的自然选择理论尚不完备，并且向读者展示了如何运用分析的手段拓展进化论。汤普森运用力学定律解释了动物及其骨架的形状和尺寸，又通过纯数学演绎展示了动物躯体的演化过程。这部作品因对达尔文进化论的挑战和对大自然之美的生动阐述而影响了无数科学家。近年来的风评称赞这部作品“撩拨读者的心弦，激发读者的灵感”。
后来，薛定谔在1944年出版了一本相比《生长与形态》篇幅更小、切入角度不同但同样影响深远的作品：《生命是什么？》。这部作品记录了他1943年在都柏林三一学院公开讲座的内容。我们知道，薛定谔方程是量子理论的基石，而《生命是什么？》一书引入量子概念是为了回答当时还未解决的基本问题：生物体如何做到保存遗传信息，并将其代代相传？
薛定谔从量子理论和统计物理学的角度开始推演，最后得到结论：携带遗传信息的载体一定是一种小而耐用的基本单位，而且这种单位可以产生大量变化，从而导致生物进化中的突变现象。他认为，这类单位应该是由大约1 000个原子构成的分子，它拥有的稳定量子构型以编码所有遗传信息。在科学界证实DNA（脱氧核糖核酸）就是这种遗传分子之后，詹姆斯 · 沃森（James Watson）和弗朗西斯 · 克里克（Francis Crick）又在1953年发现了DNA的双螺旋结构。这两位科学家表示，《生命是什么？》一书是他们能取得这项成就的起点。这部作品不仅推动了分子生物学的建立，而且也让薛定谔本人窥见了更多内容。他写道：“由于通过寻常物理学定律很难解释生命方面的内容，我们就必须做好发现全新物理学定律的准备。”薛定谔认为，这种全新定律就埋藏在量子理论中。
无独有偶，爱因斯坦也认为生物学研究可以拓展物理学领域。他产生这个想法的起点是德国-奥地利动物学家、诺贝尔奖得主卡尔 · 冯 · 弗里希（Karl von Frisch）的研究。后者建立了蜜蜂的动物行为学模型，并且证明，蜜蜂会使用偏振光确定方向。1949年，爱因斯坦特别提到，冯 · 弗里希的研究成果本身并没有开辟物理学新道路，因为在物理学中，偏振已经是研究得很透彻的光的特性。不过，他还补充道：“对候鸟和信鸽的研究，或许会在将来某一天推动我们对一些未知物理学过程的认识。”很明显，爱因斯坦看到了物理学和生物学之间双向流动的价值。
几十年后，汤普森、薛定谔和爱因斯坦意识到的这两门学科间的联系变得越发紧密。汤普森工作的一大主题，是通过纯数学演绎认识生物的形态。他在方形网格上勾勒出生物体的大致轮廓，然后运用各种数学变换（比如朝一个方向拉伸网格）研究相应变化。产生的图像就与另一种密切相关的生物体类似，比如，鹦鹉鱼修长的身体通过数学变换就能变成天使鱼的曲线身体轮廓。这表明，生物体的躯体会朝着有利细胞生长的方向发展，不过，数学本身并没有解释，究竟是何种生化过程和物理过程导致了这个现象。
现在，新数学方法让我们能更深入地认识生命体构建身体结构的方式。
2020年，以色列理工学院的物理学家和生物学家分析了一种能够长到1厘米的淡水动物，水螅。这种动物的圆柱形身体表面上附着一条腿、一个长着触角的头、一张负责捕猎和进食的嘴。这种生物之所以能勾起生物学家的兴趣，是因为它们身上的一小片组织就能再生成为一个完整且功能健全的生物个体。（水螅的英文名Hydra，原意其实是神话中的海怪“九头蛇”。传说，“九头蛇”长着很多蛇头，而且无论哪个头被砍掉，都会长出两个新的。）从某种意义上说，再生提供了一种永生的可能，这对延长人类生命可能有所帮助。
科学家用显微镜观察了一种能够长到1厘米长的淡水动物，水螅。结果发现，水螅组织再生时表现得像晶体中的原子
以色列理工学院的这支研究团队用显微镜仔细观察了处于再生状态的一片水螅组织，尤其关注平行于成熟水螅身体长轴的多细胞纤维。水螅组织首先将自身折叠成一个球体，上面的纤维则形成类似地球经度线的图案，即在靠近“赤道”的区域大致呈平行状态，但在收拢到南北两极时，方向会剧烈变化。这其实是一种拓扑缺陷，一种可能以各种形式出现的异常现象——只要是有规则的几何结构，就比如水螅的平行纤维或晶体内的原子排列，在自身秩序遭到严重破坏时，就会出现这类异常现象。至于称其为“拓扑”，是因为分析、认识这种现象需要拓扑学知识；所谓“拓扑学”，就是一种研究拉伸、弯曲、扭转等形变方式的纯数学分支。
研究人员在水螅组织中观察到了两种拓扑缺陷。这两种缺陷都很重要，因为它们确定了整个身体的发展方向，并且最终成为新个体的头、脚位置。我们还需要更多研究才能理解拓扑缺陷重要性背后的力学和生化过程，但“拓扑缺陷标志着生物物质的重大变化”这个结论肯定没问题，并且已经在其他案例中得到了证明：在研究人员培育的细菌群落中，有一些会在成长过程中因为拓扑缺陷变成更复杂的多细胞结构。
汤普森使用的另一种方法是确定力学的量（如力）如何影响生物体的大小和行为的物理方法，这种方法具有巨大优势。为此，他做了量纲分析。所谓“量纲分析”，就是用3个基本物理量（质量M、长度L和时间T）的组合表达所有力学量。举个例子，速度的量纲就是L/T，而力的量纲则是ML/T2。汤普森从这些基本量出发，证明大鱼游得比小鱼快，昆虫不可能长得特别大。这是因为，在昆虫体型变大的时候，重量增长的速度超过了支撑腿强度的上升速度，因此，一旦昆虫体型突破了上限，身体机能就够不上。
丹麦技术大学海洋生命研究中心的肯 · 安德森（Ken Anderson）现在正运用量纲分析描述海洋生态系统中的一种庞大生物群：浮游生物。2020年，埃默里大学举办了主题为“论尺寸是否合适”的讨论会。讨论会的主题来自著名英国生物学家霍尔丹（J. B. S. Haldane）在1928年发表的一篇著名同名论文。霍尔丹在这篇论文中论述了尺寸之于生物体能力的重要意义。与会者讨论了基本物理原理是如何决定生物尺寸和功能的。正是在这次讨论会上，安德森公布了自己的研究方法。
浮游生物由漂浮在海洋中的极小体型动物和植物构成。它们在地球的碳氧循环中扮演着重要角色，对食物链中构成人类食谱的那部分生物也有重要意义。为了分析浮游生物的多样性，安德森按照摄入养分的方式将各种浮游生物分门别类。对于主动进食的浮游生物来说，它们在遇到食物时的摄入率取决于速度量纲L/T与自身横截面积L2的乘积，也即L3/T，其中L是该种浮游生物的典型尺寸。有些浮游动物采用被动进食的方式，即当溶解了有机物质的分子随着海水扩散到身上时，它们才会摄取养分。详细的物理分析表明，这种进食方式的速率为L/T。另一方面，浮游植物则通过光合作用生产自身所需的养分。这就要求它们收集太阳能，因而进食速率与它们的表面积有关，相应量纲为L2/T。此外，浮游植物也可以被动吸收养分，速率当然也为L/T。
安德森以进食速率和生物体尺寸（从10-4毫米到1毫米）为横纵坐标，绘制成图。结果发现，浮游生物的尺寸与进食模式有关。体型较小的浮游生物依靠被动进食，而体型较大的则依靠主动进食，体型适中的则往往是依靠光合作用汲取能量的浮游植物。因此，这三类浮游生物的相对数量就取决于该处海洋的养分浓度水平和日照水平。举个例子，如果某处海洋养分充沛但日照极少，那么依赖主动进食和被动进食的浮游动物数量就会远超依赖光合作用的浮游植物。安德森目前正在以基本物理学概念为基础，开发浮游生物模拟软件以预测不同海洋环境中的浮游生物多样性及特性。
水螅和浮游生物的研究结果将汤普森的分析拓展到了整个生物圈。而薛定谔的《生命是什么？》则证明了，在分子云中巧妙排布的原子如何让生物信息代代相传，从而提出了一种分子尺度上的新研究方法。自此以后，分子生物学就催生了像基因编辑这样的诸多进展，并且也让我们更好地认识了细胞过程。
这些成果表明，以分子作为生命生化过程的基本单位以及研究起点，然后再逐步构建细胞、组织、器官和整个生物体，这种研究方法可行，并且有强大的生命力。这种还原主义研究方式，似乎在物理学中同样奏效，毕竟，从原理上说，在这个领域中，基本粒子可以聚合成为原子核和原子，而原子又可以形成分子，分子又可以形成更大的物质及能量聚合体，依此类推，直至形成整个宇宙。分子有没有可能就是认识复杂生物（乃至生命本身）的基础？或许的确如此，但也有学者认为，这种自下而上的过程不足以解释更高级别的生物结构和功能。一个重要的例子就是，我们很难将人类的内在意识（思维的一种属性）同大脑中神经元和分子的行为直接联系在一起。或许，从分子到复杂生物的跃变还需其他理论来解释。
薛定谔就秉持这种观点。他当时推测，要想彻底认识生命，就应该有一种来自量子理论的“新型物理学定律”为已有物理学体系提供补充。自他之后，有研究人员报告（或是提出理论），在诸如光合作用和嗅觉反应这样的领域发现了量子行为的迹象。不过，这类结果都颇有争议，仍旧需要更为坚实可信的实例来证明量子效应对一般生物过程的影响。
不过，有一条普适性物理学定律，虽然没有在薛定谔的时代受到普遍认可，却在如今的物理学和生物学领域发挥着重要作用。1867年，苏格兰数学物理学家詹姆斯 · 克拉克 · 麦克斯韦（James Clerk Maxwell）设想了著名的“麦克斯韦妖”。这个小生物住在一个充满气体的盒子里，负责将快速运动和缓慢运动的分子分别赶到两个区域。因为温度与速度呈正相关关系，所以这个思想实验的结果其实是告诉我们，冷热区域之间的温度差异可以产生有用的功。麦克斯韦妖由此展示了，如何利用纯信息产生能量，从而赋予了“信息”物理现实含义。接着，在20世纪40年代，数学家克劳德 · 香农（Claude Shannon）证明，描述给定系统的信息反映了该系统的有序度。热力学使用一个叫作“熵”的物理量来描述有序度。因此，香农的这个发现将信息同有序度、熵和热力学联系在一起，从而让信息这个概念有了更丰富的物理内涵。
对通过维持自身有序度而生存、成长、繁衍的生物体来说，信息与有序度及热力学之间的关联有着特殊意义。这种意义隐含在分子生物学所谓的“中心法则”中。弗朗西斯 · 克里克提出的这个法则告诉我们，储存在DNA分子中的信息会按计划流向生产蛋白质的其他分子过程以及整个生物体。因此，追踪这类信息流就是一种描述整个生物系统热力学性质的方法。当系统各个组成部分（比如大脑中的各个神经元）之间的相互作用产生“新”的高级行为时，整个生物体就会表现出一些新特性，而追踪信息流这种研究方式为我们探究这些特性开辟了新道路。
2018年，为纪念形成《生命是什么？》一书的薛定谔讲座75周年，三一学院特地举办了一场研讨会。这次会议清楚地表明，追踪信息流这种更具一般意义的方法如今正深刻影响着物理学和生物学交叉地带的研究。参加这次大会的著名科学家预言，与信息及生物特性有关的新领域（比如复杂系统以及构成大脑的神经元网络）的研究需要若干年的物理学和生物学研究才能取得进展。无论结果如何，以信息为基础的普适研究方法（涵盖了物理学和生物学两个领域）得到越来越多的使用无疑具有重要意义。只有通过这种大规模的多学科努力，甚至跨学科努力，我们才有希望最终回答薛定谔当初提出的那个问题：生命是什么？
资料来源 Nautilus
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本文作者西德尼·佩尔科维茨（Sidney Perkowitz）是埃默里大学坎德勒物理学荣誉教授，最新作品是《物理学：极简入门》（Physics: A Very Short Introduction）、《真正的科学家不打领带》（Real Scientist Don’t Wear Ties）以及《科学速写》（Science Sketches，即将出版）。