跨界视阈下对生命本质的追问：薛定谔《生命是什么》的科学思想与当代启示

张长峰

国家农产品现代物流工程技术研究中心 发育生物学博士、教授

1944年，量子力学奠基人之一埃尔温・薛定谔（1887-1961）出版了《生命是什么？活细胞的物理观》（What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell），这本仅百页的小册子日后成为了分子生物学这门连接微观物理世界与宏观生命现象的新学科诞生的重要的思想推手。

让我们把目光回转到上个世纪之初，彼时的物理学与生物学仍是“两个隔绝的世界”。物理学家们还沉浸在刚刚取得突破性进展的量子力学这一理论体系的辉煌中，他们更多地将生物学视为一种“描述性科学”，认为其缺乏精密的理论框架；而生物学家则坚守“生命特殊性”的认知，拒斥用物理规律的“还原论”来解读生命现象。薛定谔闯入了这样一片物理学与生物学交叉的“无人区”，他首次系统性打破20世纪物理学与生物学的学科隔阂，以“生命以负熵为生”“遗传物质为非周期性晶体”等观点为理解生命本质提供了全新视角。尽管书中未有精准预言DNA双螺旋结构，部分推测甚至与事实存在偏差，但其关于“遗传物质需要具备高信息密度与量子稳定性”的方向性判断，为分子生物学的诞生埋下了关键伏笔。但这部著作的意义远不止于这些具体的科学贡献，它更揭示了跨界思维的生命力，即当科学受困学科壁垒时，对“本质问题”的追问往往能打破边界，开辟新的认知疆域。

一、物理化学视角的生命追问

作为全书的开篇立论章节，薛定谔在《生命是什么》第一章“古典物理学家对这个主题的探讨”中，并未直接展开具体假说，而是直面当时科学领域最核心的认知矛盾：在生命有机体内发生的时空事件，能否用已知的物理学和化学规律解释？这一问题的提出，直接击穿了物理学与生物学之间的学科壁垒，为全书构建了核心探索框架。

（一）学科割裂下的认知困境

20世纪上半叶，物理学已通过量子力学与统计力学构建起微观世界的理论体系，能够精准描述原子能级与分子相互作用；而生物学仍处于“经验积累阶段”——孟德尔遗传定律虽被重新发现，但基因的物质载体未知；达尔文进化论能解释宏观演化，却无法阐明遗传变异的微观机制。这种学科割裂形成了荒诞的认知鸿沟：物理学家能计算原子的运动轨迹，却无法解释细胞的分裂增殖；生物学家能观察遗传性状的传递，却不能说明其物理本质。

薛定谔尖锐地指出，这种割裂并非自然的本质属性，而是人类认知的局限。他在章节开篇即明确立场：“当前物理学和化学在解释生命事件时的无能为力，绝不能成为怀疑这些事件可被物理化学规律解释的理由。”这一论断直接回应了当时生物学家对“物理还原论”的排斥，也纠正了物理学家将生物学视为“非精密科学”的偏见。

（二）生命现象的科学归属

围绕核心问题，薛定谔进一步拆解出两个子问题：一是生命有机体的活动是否遵循物理化学的基本定律？二是若遵循现有定律，为何生命能展现出远超无生命物质的复杂性与有序性？

针对第一个问题，他通过热力学与量子力学的理论推演给出肯定答案：生命有机体的物质组成与无生命物质并无本质差异，其分子间的相互作用仍遵循化学键理论与能量守恒定律。他特别强调，统计物理学的发展已为解释生命这种“多分子系统”的行为提供了工具——不同于宏观物体的确定性运动，生命现象的规律性可能隐藏在大量分子的统计行为中。

对于第二个问题，薛定谔并未给出完整答案，而是埋下全书的核心伏笔：生命的特殊性可能源于其“有序性的维持机制”，这种机制既不违背物理规律，又超越了无生命系统的自发过程。他暗示，解决这一矛盾需要结合热力学熵增定律与量子力学的稳定性原理，这为后续“负熵”假说与“非周期性晶体”猜想奠定了逻辑基础。

薛定谔打破了“生命特殊论”与“物理万能论”的二元对立，提出了“统一科学观”：生命现象不是物理化学规律的例外，而是这些规律在复杂系统中的高阶体现。这种视角既为物理学家指出了探索生命问题的可行性，也为生物学家提供了新的研究工具。

二、《生命是什么》的诞生背景与思想源流

（一）跨界思索的缘起

薛定谔对生命问题的关注并非偶然。青年时期他便对生物学有浓厚兴趣，而20世纪30年代德尔布吕克等物理学家在生物学领域的初步探索，进一步激发了他的思考。更深刻的动因来自他对“科学统一性”的信仰——受叔本华哲学影响，他坚信“所有科学分支最终都指向对宇宙本质的理解”，生命作为宇宙中最复杂的存在，必然能被物理规律阐释。

1938年，因母亲的犹太血统，薛定谔面临纳粹德国的迫害，被迫离开奥地利。辗转英国、美国后，他于1939年出任爱尔兰都柏林高等研究院理论物理研究所所长。这段流亡经历中断了他的常规物理研究，却为跨界思考提供了契机。他在回忆录《我的世界观》（Mein Weltbild）中坦言：“远离物理学的‘前沿竞争’让我得以沉静下来，开始深度思考那些更为根本的问题，比如生命与非生命的界限究竟在何处？”

（二）思想的凝结

1943年2月，在都柏林高等研究院与三一学院的联合赞助下，薛定谔举办了为期六周的公开讲座，主题为“生命是什么？活细胞的物理观”。据1943年2月18日《爱尔兰时报》报道，首场讲座吸引了逾500人参与，听众包括物理学家沃尔夫冈・泡利、遗传学家J.B.S.霍尔丹，以及哲学、社会学领域学者与普通市民，爱尔兰总理爱蒙・德・瓦莱拉及其内阁成员也出席了讲座。

讲座中，薛定谔围绕“生命本质” 提出三大核心问题，并初步阐述了关键观点：以“负熵”解释生命的有序性维持，以“非周期性晶体”推测遗传物质结构，以“涌现现象”解读生命的“目的性”。这些观点引发激烈争议：生物学家质疑“物理规律无法解释细胞自主性”，物理学家认为“量子力学应用于生命是理论滥用”。对此，薛定谔回应：“科学的使命不是固守学科边界，而是寻找解释自然的普遍规律。若生命违背物理规律，那才是物理学的灾难。”

1944年，剑桥大学出版社将讲座内容整理出版为《生命是什么》，全书共7章约10万字。1947年再版时，薛定谔补充《意识与物质》作为附录，将讨论延伸至意识统一性等哲学命题，使著作从科学探索升华为对生命本质的全方位追问。

三、《生命是什么》的核心观点与科学内涵

（一）热力学视角下的生命本质

热力学第二定律指出，孤立系统的熵（无序度）必然自发增加，最终达到热力学平衡。但生命体始终维持低熵有序状态，这一矛盾成为当时科学的谜题。薛定谔在第六章“有序、无序和熵”中提出“生命以负熵为生”的核心假说：生命体是开放系统，通过摄取环境中的“有序能量”（如食物、阳光）排出“无序能量”（如热量、废物），实现自身熵的减少。

他强调：“能量只是负熵的载体，生命真正‘渴望’的是有序性。我们吃食物不是为了获取能量，而是为了利用其高度有序的分子结构对抗自身熵增。”这一观点将生命维持的本质从“能量获取”升华为“有序性维系”。近年来多篇热力学建模研究已证实：癌细胞会通过增强糖酵解（即瓦伯格效应）快速摄取能量，以此维持低熵状态支撑无限增殖；而衰老细胞因线粒体功能衰退，负熵摄取能力下降，最终导致熵增与功能退化。例如2022年《Research Gate》刊载的论文便指出，癌细胞的熵产生速率显著高于正常细胞，其代谢网络正是通过非平衡态热力学维持有序性，印证了薛定谔“生命是与熵增的永恒对抗” 的预见。

（二）遗传物质的物理本质猜想

在第二章“遗传机制”中，薛定谔通过X射线衍射数据估算：基因直径约10纳米、长度约100纳米，如此微小的体积需储存生命体发育的全部信息，这要求其具备极高的信息密度。基于此，他提出“遗传物质为非周期性晶体”的猜想：非周期性晶体的优势在于原子排列无重复周期，如同文字序列可通过组合产生无限信息；原子间的化学键抵抗热运动干扰，确保遗传稳定性；而罕见的“量子跃迁”可能导致基因突变，解释了突变的低频性与随机性。1953年，沃森和克里克发现DNA双螺旋结构，证实了DNA的脱氧核苷酸序列（A-T-C-G）呈非周期性排列，信息密度与薛定谔的计算吻合。且近年单分子实验已验证了基因突变的量子机制，如2014年《自然》的研究便发现，DNA碱基的互变异构体（如烯醇式胸腺嘧啶）可通过量子隧穿效应形成，进而引发错配突变，正是“量子跃迁导致突变”的具体体现。克里克在自传《狂热的追求》中坦言：“薛定谔的‘非周期性晶体’概念像一盏明灯，指引我们寻找基因的物理结构。”

（三）“生命的目的性”与意识问题的哲学延伸

薛定谔在书中及附录《意识与物质》中，进一步探讨了哲学层面的生命本质问题。针对“生命的目的性”，他批判了“活力论”（超自然力量驱动）与“机械论”（物理化学简单叠加），提出“中间道路”：生命的目的性（如胚胎发育定向性、生物趋利避害）是遗传信息指导下的“涌现现象”，如同“蚁群复杂行为源于个体简单规则，而非蚁群意识”。他以向日葵向光生长为例：“这并非植物‘渴望’阳光，而是基因指导下生长素分布不均导致的定向生长，完全符合物理化学规律。”关于“意识的统一性”，他提出“自我之谜”：“为何感知到的世界是整体而非神经元信号碎片？”他推测这可能与量子力学“非局域性”相关——大脑神经元通过量子纠缠形成整体效应，整合神经信号为统一意识。这一猜想虽未被证实，却启发了当代“量子意识理论”。2020年《物理评论快报》在关于微管量子特性的研究中报道，研究者通过低温实验发现，微管蛋白的π电子云可能形成量子叠加态，这一结果为量子相干参与神经信号整合提供了支持。尽管该实验未直接证明意识起源，却首次在生物系统中观测到与量子力学相关的长程有序现象，为其提供了初步证据。

（待续）

作者简介：张长峰，1976年8月出生，湖北五峰人，土家族；博士、教授、国务院特殊津贴专家、山东省政府特殊津贴专家；山东省政协委员、民盟山东省委委员。国家农产品现代物流工程技术研究中心（山东省商业集团有限公司）科技研发部部长、重点实验室（山东商业职业技术学院）主任。科技部、山东省科技厅入库专家，农业农村部“科创中国”果蔬贮藏物流产业服务团副团长，全国物流标准化技术委员会第三届冷链物流分技术委员会副主任委员，山东省人民政协理论研究会第四届理事会理事。

国家“十二五”以来，连续承担国家重点研发计划项目课题8项；作为首位发明人获发明专利15项；以第一或通讯作者发表SCI和EI收录文章27篇；制定国家标准12项；出版专著4部；获教育部科技进步一等奖、二等奖各1项、省政府科技进步二等奖1项等。立足本职工作，50余件建言被全国政协、中央统战部、民盟中央和省委办公厅采纳，以及获得省委省政府主要领导批示。多次获民盟中央、民盟省委建言献策突出贡献奖； 2024年度山东省政协“履职优秀委员”；2020年获“省直机关最美职工”荣誉称号。