为什么物理学不是一门学科

H你听过关于生物学家，物理学家和数学家的故事吗?他们都坐在咖啡馆里，看着人们从街对面的房子里来来往往。两个人进去，过了一会儿，三个人出来了。物理学家说:“测量不准确。”生物学家说:“它们已经繁殖了。”数学家说:“如果现在正好有一个人进了房子，那房子就又空了。”

好笑，不是吗？你可以找到很多这样的笑话，很多都是关于球形奶牛的，但我还没有找到一个能让我发笑的。不过，这不是他们的目的。它们旨在向我们展示，这些学科以非常不同的，也许是不相容的方式看待世界。

这话有几分道理。例如，许多物理学家会说，生物学家对他们在该领域的努力是多么漠不关心，认为它们是不相干的和错误的。这不仅仅是因为物理学家们被认为做错了事情。通常生物学家的观点是(也许是在建立良好但定义严格的生物物理学学科之外)，物理学在生物学中没有任何位置。

但是这些反对(和笑话)把学术标签和科学标签混为一谈了。正确理解的物理学不是学校和大学院系的一门学科;它是理解世界进程如何发生的一种特定方式。当亚里士多德写他的物理在公元前四世纪，他描述的不是一门学科，而是一种哲学模式:一种思考自然的方式。你可能认为这只是一种古老的用法，但事实并非如此。当今天的物理学家(他们经常这样做)谈论问题的“物理学”时，他们的意思接近于亚里士多德的意思:既不是单纯的数学形式主义，也不是单纯的叙述，而是一种从基本原理推导过程的方法。

这就是为什么有生物物理学，就像有化学物理学、地质学物理学和社会物理学一样。但发现它的不一定是专业意义上的“物理学家”。

我在20世纪中叶，物理学和生物学之间的界限比今天更为模糊。20世纪分子生物学的几位先驱，包括马克斯·德布吕克（Max Delbrück）、西摩·本泽（Seymour Benzer）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick），都曾被培养成物理学家。詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在1953年发现DNA中的基因编码时，发现了基因和进化的“信息”观点，这种观点的起源通常归因于物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）1944年的书生命是什么?(然而，生物学家赫尔曼·穆勒(Hermann Muller)预见到了他的一些想法。)

物理学和生物学的融合在本世纪中叶受到了许多著名生物学家的欢迎，包括康拉德·哈尔·沃丁顿、J.B.S.霍尔丹和约瑟夫·李约瑟，他们在剑桥大学成立了理论生物学俱乐部。对DNA“数字代码”的理解出现在应用数学家诺伯特·维纳（Norbert Wiener）概述控制论理论的同时，该理论旨在解释从机器到细胞的复杂系统是如何被反馈过程网络控制和调节的。1955年，物理学家乔治·加莫（George Gamow）在《科学》杂志上发表了一篇有先见之明的文章科学美国人被称为“活细胞中的信息传递”，控制论为生物学家雅克·莫诺和弗朗索瓦·雅各布提供了一种语言，帮助他们在20世纪60年代形成早期的基因调控网络理论。

但后来这个“生物学物理学”项目停滞了。尽管物理学家向生物学相关问题迁移，但他们的大部分努力与主流的基因组数据收集和分子和细胞生物学中遗传和生化机制的详细研究仍然存在空白。发生了什么事?

恩斯特·梅尔（Ernst Mayr）2004年的书中总结了离婚的一些关键原因生物学的独特之处是什么. 迈尔是现代最杰出的进化生物学家之一，仅这一头衔就反映了生命科学中普遍持有的例外论概念。在迈尔看来，生物学太混乱和复杂了，物理学提供的一般理论帮不上什么忙——魔鬼总是在细节中。

在一个领域发展起来的科学思想可能在另一个领域也适用。

也许是所有生物学家中最协调一致的尝试，在他的学科周围划定了明确的学科界限，巧妙地将其与其他科学领域隔离开来。在这样做的过程中，他提供了一个最清楚的证据，表明这种努力是愚蠢的。

他指出了物理学区别于生物学的四个基本特征。它是本质主义的(它把世界划分为明确而不变的范畴，例如电子和质子);它是确定性的(这总是必然导致那个）;它是还原论者(你通过还原一个系统的组成部分来理解它);它假定了普遍的自然规律，而在生物学中，这些规律被偶然、随机和历史偶然性破坏了。任何物理学家都会告诉你，这种对物理学的描述是完全错误的，只要你对量子理论、混沌和复杂性稍微熟悉一下，就会发现这一点。

但是，当迈尔宣称生物学真正独特的地方在于它与人类的关系时，他的论点变得更有趣了——如果不是更有说服力的话目的：通过进化过程中的盲目变异和选择巧妙打造的设计。粒子在随机游动中相互碰撞并不一定要发生做任何东西但是，基因网络、蛋白质分子和复杂的细胞结构是由生存的迫切需要决定的：它们有一种目标。物理不涉及目标，对吗？作为纽约城市大学的Massimo Pigliucci，一位进化生物学家变成哲学家，最近说：“问一个电子、一个分子、一颗行星或一座山的目的或目标是没有意义的。”¹

目的或目的论在生物学中是很难用的词:它们都很容易暗示进化的“盲人钟表匠”的确定性目标，并使自己成为神创论的滥用。但我们还是要谈谈自己的内疚作用在生物学中:它的组成和结构在生物体的生存和基因的繁殖中发挥作用。

事实是，物理学家们也不会被这个词吓倒。当诺贝特·维纳在1943年撰写论文《行为、目的和目的论》时，他是在故意挑衅。两年后，维纳和匈牙利数学物理学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)成立了目的论协会，并宣布其使命是理解“目的是如何在人类和动物行为中实现的”。冯·诺依曼对复制(进化“生物功能”的基本要素)的持久兴趣为细胞自动机理论奠定了基础。细胞自动机理论现在被广泛用于研究复杂的适应过程，包括达尔文的进化(甚至理查德·道金斯也使用过)。

明显的目的来自于达尔文对环境的适应。但达尔文的随机突变和自然选择不就完全理解了这一点吗?

事实上，没有。首先，这两种成分在复制生物之间的随机遗传突变，以及来自环境的选择性压力，是否一定会产生适应性、多样性和创新，并不明显。这是如何取决于复制速率、复制过程的保真度和系统中随机噪声的水平、选择压力的强度、可遗传信息与其控制的性状（基因型和表型）之间的关系等等？进化生物学家有数学模型来研究这些事情，但如果没有一个通用的框架来联系，计算几乎不能告诉你什么。

这个基本框架就是进化物理学。它可能会被描绘出来，比如说，在变量的阈值之上出现一种新的定性的整体行为:物理学家称之为相图。理论化学家彼得·舒斯特(Peter Schuster)和他的同事们在基因复制的错误率中发现了这样一个阈值，在这个阈值以下，复制的基因组中包含的信息保持稳定。换句话说，在这个错误率之上，就不可能有这样可识别的物种了:它们的基因身份“融化”了。舒斯特的同事、诺贝尔奖获得者、化学家曼弗雷德·艾根(Manfred Eigen)认为，这种相变完全类似于物理学家更传统地研究的熔化现象。

与此同时，进化生物学家安德烈亚斯·瓦格纳(Andreas Wagner)利用计算机模型表明，达尔文进化的创新能力和产生新的质量形式和结构的能力，而不仅仅是一个主题上的微小变化，并不会自动遵循自然选择。相反，它取决于可能性组合空间是否存在一种非常特殊的“形状”，这种形状描述了功能(比如蛋白质的化学效应)如何取决于编码它的信息(比如分子链中的氨基酸序列)。这又是“物理”的基础进化的多样性．

麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的物理学家杰里米·英格兰(Jeremy England)认为，适应本身并不依赖于达尔文的自然选择和基因遗传，但可能更深地植根于复杂系统的热力学中。²众所周知，健康和适应的概念总是很难确定——它们很容易听起来循环往复。但是英格兰说它们最基本的形式可能被认为是一种特殊系统的能力，通过抑制大的波动和消散能量，来维持不断的能量输出你可能会说，通过一种能力保持冷静，继续前进．

England说：“我们最初的假设是一般的物理假设，它们把我们带到了一个关于非平衡进化的一般特征的主张上，达尔文的故事变成了一个特例，在你的系统包含自我复制的东西的情况下获得。”。“这个概念变成了热波动的物质会自发地被敲打成各种形状，这些形状能够很好地吸收环境中的外场。”他说，令人兴奋的是“当我们对我们所看到的一些‘适应性’结构的起源进行物理解释时，它们不一定要有通常生物学意义上的父母。”一些研究人员已经开始提出英国的观点为达尔文的理论提供了基础物理。

请注意，生物学现象的“物理学”从何而来确实无从得知——它可能来自化学家和生物学家，也可能来自“物理学家”。从学科的角度来看，把这些基本思想和理论称为问题的物理，这一点也不沙文主义。我们只需要把这个词从它的部门定义中拯救出来，以及随之而来的学术地盘之争。

Y你可以把这些对物理学中更为熟悉的思想的生物学的入侵看作是科学思想在一个领域发展到另一个领域的方式的又一个例子。

但问题远不止于此，将其表述为学科间的交叉对话（或边界突袭）并不能抓住全部真相。我们需要超越迈尔划定和捍卫边界的企图。

物理学家们经常称赞同龄人对“问题的物理学”的理解能力，这听起来可能有些奇怪。一个物理学家除了思考“问题的物理性”还能做什么呢？但这其中存在着一个误解。这里所阐述的是一种超越数学描述或这个或那个交互的细节的能力，以及解决涉及的基本概念的能力，这些概念通常是非常一般的，可以用非数学的，甚至是口语的语言简洁地表达。从这个意义上讲，物理学不是一套固定的程序，也不是一门特定的学科。这是一个思考世界的方式：组织因果关系的方案。

我们还不知道生物学物理学将由什么组成。但没有它，我们无法理解生命。

这种想法可能来自任何科学家，无论他或她的学术标签。当雅各布和莫诺德发现反馈过程是基因调控的关键时，他们就证明了这一点，并与控制论和控制理论建立了联系。这就是发展生物学家Hans Meinhardt在20世纪70年代所做的，当时他和他的同事Alfred Gierer解开了图灵结构的物理学。这些都是在化学物质扩散的数学模型中自发产生的模式，这个数学模型是由数学家艾伦·图灵在1952年设计的，用来解释胚胎中形式和顺序的产生。迈因哈特和吉雷尔发现了图灵数学背后的物理原理:一种自发的“激活剂”化学物质和抑制其行为的成分之间的相互作用。

一旦我们超越了物理学的部门定义，围绕其他学科的墙就会变得更加多孔，产生积极的影响。迈尔认为生物制剂是由目标驱动的，而非无生命物体，这一观点与生物信息的粗略解释密切相关，生物信息来源于一切都从DNA开始的观点。正如迈尔所说，“生活世界中没有一种现象或一个过程不受基因组中基因程序的控制。”

这种有时被称为“DNA沙文主义”的现象导致了梅尔错误地将其归因于物理学的还原论和决定论，而生物学的物理学正在破坏这种还原论和决定论。因为即使我们认识到（我们必须认识到）DNA和基因确实是生命进化和生存细节的核心，也需要一个更广阔的图景，让维持生命的信息不仅仅来自DNA数据库。这里的一个关键问题是因果关系：信息流向何方？现在，量化这些因果关系问题成为可能，这揭示了普遍自下而上观点的不足。

威斯康星大学的神经学家Giulio Tononi和他的同事们设计了一个复杂的相互作用的组分模型，可以想象为神经元或基因，他们发现，有时系统的行为不是以自下而上的方式造成的。但是组件之间的组织级别更高。^3.

这幅图在最近的酵母基因网络信息流分析中得到了证实，该分析由位于坦佩的亚利桑那州立大学的莎拉·沃克、保罗·戴维斯及其同事进行。⁴这项研究表明，在这种情况下确实存在“向下”的因果关系。¹戴维斯和他的同事认为，自上而下的因果关系可能是生命物理学的普遍特征，它可能在进化的一些重大转变中发挥了关键作用，⁵例如遗传密码的出现，复杂的分隔细胞(真核生物)的进化，多细胞生物的发展，甚至生命本身的起源。⁶他们说，在这些关键点上，信息流可能已经改变了方向，从而使组织高层的过程影响和改变了低层的过程，而不是一切都由基因层面的突变“驱动”。

这项研究以及瓦格纳、舒斯特和艾根的研究表明，只有当我们更好地理解信息本身的物理性质时，才能完全理解DNA和基因网络与生物体的维持和进化之间的联系。⁷

一个恰当的例子是观察到，生物系统通常在物理学家所谓的临界相变或临界点附近运行：一个处于两种组织模式之间切换边缘的状态，一种有序，另一种无序。在磁性、液体混合物和超流体等物理系统中，临界点是众所周知的。普林斯顿大学研究生物学问题的物理学家威廉·比亚莱克（William Bialek）和他在巴黎埃科尔师范大学的同事蒂埃里·莫拉（Thierry Mora）在2010年提出，从鸟类群集到大脑神经网络以及蛋白质中氨基酸序列的组织等多种生物系统，也可能接近临界状态。⁸

Bialek和Mora说，通过在临界点附近运行，系统会经历大的波动，从而可以访问其组件的各种不同配置。莫拉说，因此，“临界状态可能赋予处理复杂和不可预测环境所需的灵活性。”此外，接近临界状态对环境中的干扰非常敏感，这会在整个系统中产生涟漪效应。这有助于生物系统快速适应变化：比如说，一群鸟或一群鱼可以对捕食者的接近做出快速反应。

临界性还可以提供一种信息收集机制。意大利帕多瓦大学的物理学家阿莫斯·马里坦和他的同事们已经证明，在一系列“认知代理”中——例如，它们可能是个体有机体或神经元——的一个关键状态允许系统“感知”周围发生的事情:编码一种环境和环境的“内部地图”，就像河流网络编码了周围的地形地图。⁹Maritan说:“在关键时刻保持平衡为系统提供了最佳的灵活性和进化优势，以应对和适应高度可变和复杂的环境。”越来越多的证据表明，大脑、基因网络和动物群确实是这样组织的。危机可能无处不在。

E这样的例子给了我们信心，生物学确实有物理学的依据。Bialek对人们常说的生物学太混乱的说法没有耐心——正如他所说的，“可能有一些我们永远无法克服的马虎。”¹⁰他相信，“生物系统的理论物理学可以达到预测能力的水平，这已经成为物理学其他领域的标准。”如果没有它，生物学就有可能变成纯粹的轶闻和偶发事件。我们可以相当肯定的一件事是生物学不是这样的，因为它会不如果是的话，就去工作吧。

我们还不太清楚生物学的物理学将由什么组成。但是没有它我们就无法理解生活。对于基因网络如何在不断变化的环境中产生鲁棒性和适应性，例如，为什么一个有缺陷的基因不一定是致命的，为什么细胞可以在不改变基因组的情况下以稳定、可靠的方式改变它们的特性，它肯定会有话要说。它应该揭示为什么进化本身既有可能又有创造性。

说物理学没有边界，并不等于说物理学家能解决一切问题。他们也是在纪律中成长起来的，当他们走出去的时候，就像我们任何人一样容易犯错误。问题不在于谁“拥有”科学中的特定问题，而在于开发思考事物如何运作的有用工具——这正是亚里士多德在2000多年前就试图做的。物理不是物理系的事。这个世界真的不关心标签，如果我们想要理解它，那么我们也不应该。

Philip Ball是无形：无形的危险诱惑还有许多关于科学和艺术的书。

参考文献

1.生物学与物理学：做科学的两种方式？www.thephilosphersmag.com(2015)。

2.张志强，王志强，王志强，等。适应的统计物理。arXiv: 1412.1875(2014)。

3.Hoel，E.P.，Albantakis，L.，和Tononi，G.量化因果出现表明宏观可以击败微观。美国国家科学院院刊110, 19790-19795 (2013).

4.Walker，S.I.，Kim，H.，和Davies，P.C.W.细胞的信息架构。英国皇家学会哲学汇刊A374(2016)．检索自:DOI: 10.1098/rsta.2015.0057

5.进化变迁与自上而下的因果关系。arXiv: 1207.4808(2012)。

6.沃克，s。i。和戴维斯，p。c。w。生命的算法起源。英国皇家学会杂志10(2012)。检索自:DOI: 10.1098/rsif.2012.0869

7.由Cartwright, J.H.E, Giannerini, S.， & Gonzalez, D.L.汇编编辑的《DNA信息》主题专刊英国皇家学会哲学汇刊A374(2016)．

8.Mora, T. & Bialek, W.生物系统处于临界状态吗?统计物理学报144, 268 - 302(2011)。

9希尔达尔戈，J。，et al。生命系统中基于信息的健康和临界的出现。美国国家科学院院刊111, 10095 - 10100(2014)。

10Bialek，W.物理学和生物学界面上的理论观点。arXiv:1512.08954（2015）。