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揭开生物进化的奥秘? 浅谈量子力学和基因突变

人类历史上,第一本产生重大影响的生物进化学著作,是达尔文的《物种起源》。然而,人类真正弄清生物是如何进化的,也不过是最近几十年的事......

让我们的思绪先回到100多年前达尔文生活过的小岛上,那个曾给予他灵感的神秘之岛。在终日7级大风的摧残下,这座岛上会飞的生物已经没有多少了。达尔文发现,其中的昆虫要么残翅、要么巨翅,无一例外都具备扛受海风的能力。达尔文还细心的观察到,这两种虫子只存在翅上的差别,其他性状基本相似,是同一种昆虫。于是达尔文认为,自然选择出了更适应环境的生物性状,幸存下来的生物将这种性状遗传了下去。

此书出版后,在世界范围内掀起了一阵风波。尔后,科学界对此深信不疑,大多数人都相信,自然环境的改变是使生物变异和进化的根本原因。

而这个理论显然是错的........

推翻“自然选择论”的事件,是一场著名的实验。薛定谔在他的著作《生命是什么》中介绍了这么一个有趣的现象。在一块气候、土壤等环境都稳定不变的实验田中,专门挑出这些麦子中的突变者,即麦芒最长的和最短的几株,并将它们的麦穗分开两组播种。结果观测发现,长麦芒作物的后代和短麦芒作物的后代,在平均麦芒长度上,几乎没有任何差别。而且在长麦芒作物的后代中,竟出现了麦芒极短的后代;同样,在短麦芒后代中,也出现了长麦芒的个体。

这个实验证明了两件事情,第一,生物产生的突变性状并非都是可遗传的;第二,环境没有改变的情况下,生物依然有几率发生突变。

因此,自然选择并非是生物变异的根本原因,只是因为自然环境的变迁,淘汰了那些不适应环境的变异体。然而,受限于观测技术,在当时,生物变异的原因依然没有找到答案,直到20世纪中叶........

1951年的某天,在英国伦敦的国王学院医学实验室内,年轻的物理化学家罗莎琳·富兰克林正在端详一张奇怪的照片,这张照片是使用当时最先进的X射线晶体衍射技术拍摄的,这是人类历史上,首次拍下的DNA晶体X射线衍射照片。尽管当时的生物学界早已发现了细胞的有丝分裂,并确定在细胞核内具有某种刻有遗传信息代码的物质——DNA,但人们对于DNA的结构和运作方式,依然一片空白。

DNA晶体X射线衍射照片

1953年2月,两位生物学家沃森和克里克受到该照片的启发,大胆推测了DNA的双螺旋结构。一连几天,沃森、克里克在他们的办公室里兴高采烈地用铁皮和铁丝搭建着模型。1953年2月28日,第一个DNA双螺旋结构的分子模型终于诞生了。人们终于了解到,DNA中的核苷酸中碱基的排列顺序构成了遗传信息

DNA的双螺旋结构

DNA的发现,是生物学最伟大的成就之一,并由此开启了分子生物学。科学家发现,DNA的碱基序列,并不是绝对稳态,它会受到物理因素的干扰,比如核辐射、紫外线等。被干扰后的碱基序列会失序,从而使DNA上的遗传信息被改变,导致新分裂出的细胞,产生了截然不同的性状,这就是基因突变的原理。白血病、癌症、核辐射下的新生儿畸形都源于基因突变。

(基因突变原理图示)

然而,该理论依然有不足之处,它没有能解释非物理原因的突变,因为即使没有核辐射、紫外线等因素的干扰,基因序列依然会出现随机的突变。显然,这个问题已经超出了生物学的范畴,而进入了量子物理学领域。

我们知道那个有趣的典故——薛定谔的猫,一只同时处于生和死状态的小动物。这个典故便是量子力学的基本思想,即微观到一定程度的事物,它的状态是无法确定的,它拥有各种可能性,而每种可能性都有一定的概率。

量子力学的世界和我们看到的宏观世界是不同的。宏观世界物体的运动规律,都是如此的确定不疑,以致于我们不会担心坐着火车,人就飞到了南极。而在量子力学之中,这样的可能性完全存在,亚原子的位置、速度,都是无法精确测量的。

这也就意味着,由这些亚原子组成的原子、分子的性质,是有一定几率随机改变的,是没有规律可循的。一个鬼魅的现象是量子跃迁。所谓的量子跃迁就是微观状态发生跳跃式变化的过程。由于微观粒子的状态常常是分立的,所以从一个状态到另一个状态的变化常常是跳跃式的。量子跃迁发生之前的状态称为初态,跃迁发生之后的状态称为末态。例如,电子在光的照射下从高能态放出一个光子而跃迁到低能态就是一种量子跃迁过程,称为原子的“受激辐射”。

(量子跃迁图示,图中,围绕在橘色亚原子周围的蓝色粒子是电子,电子的轨道和运动速度决定了该粒子组合的性质,而电子的位置和速度都是不确定、可变的)

好,我知道上段文字有点难懂。不过没有关系,我们只要知道,DNA本质上是一种大分子,它由无数个亚原子构成,一旦足够多的亚原子出现了“量子跃迁”,就可以改变分子的性质,进而改变DNA的遗传序列,产生随机的突变。所以,生物进化的根本原因,是基因突变,而基因突变的原因,是量子的不确定性。

最后,我想说的是,量子物理学和生物学给我的启发,即生物的进化,是来自于组成生物的微观个体的变异。那么,同理,社会若比作是一个完整的生命体,促进社会发展的,就应该是社会中个体成员的变异。正如薛定谔、爱因斯坦、牛顿、卢梭这样伟大的科学家和思想家,他们正是这个社会的变异体,并大大推动了人类社会的进步。

所以,我的方法论是:一个好的社会制度,应该去鼓励和引导个体在不侵犯他人利益的前提下,自由地去思考、表达观点;较少的政府支出藏富于民,使人们有更充裕的精力去“Think Difference”,人类社会之所以在近200年的时间里取得了远超过去几千年的成就,最根本的原因,是自由和人性的解放,所带来的源源不断的创造力!

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