投影片1[0010]

1、生命之熵,(Erwin Schrodinger)翻譯: 魏俊霞,生命與非生命的界限到底在那裡?生命的”原理”是什麼?能否創(chuàng)造新生命?生命是什麼?千百年來,人類對生命之謎的探索從未停止過。將近70年前，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一、奧地利著名物理學(xué)家埃爾溫．薜定諤(Erwin Schrodinger)奏響了破解生命之謎的序曲，並提出了一個大膽的嘗試：以物理學(xué)和化學(xué)的觀點去詮釋生命的本質(zhì)。這種跨學(xué)科的創(chuàng)想打開了一扇全新的發(fā)現(xiàn)之門，產(chǎn)生了巨大

2、的影響，激動了大批學(xué)者進(jìn)入生物學(xué)領(lǐng)域，直接推動了生命科學(xué)的飛躍發(fā)展。,直到今天，生命之謎依然沒有解開。生命與非生命的分界線到底在哪裡？操縱生命的原理是什麼？能否人工製造新生命？本文不僅從生物學(xué)和生命科學(xué)的視角，還將像薜定諤那樣從物理學(xué)的角度來剖析生命的本質(zhì)，揭開生命之謎。下面，就讓我們一起來面對這個既古老而又新鮮的問題，共同尋找”生命是什麼”的答案吧。,病毒是生物嗎？人體皮膚細(xì)胞是生物嗎?當(dāng)我們看到一個物體時，往往一眼就能直觀地

3、判斷出它是不是生物 (生命體)。例如，看到狗或貓時，立刻就知道它是生物，而你正在讀的這本雜誌不是生物，做出這樣的判斷對你來說沒什麼難度。,那麼，必須依賴宿主才能存活和增殖的病毒是不是生物呢?面對智力與動作越來越接近人類的高智慧機(jī)器人，你是否感覺到它們也擁有鮮活的生命性質(zhì)呢?如今，科學(xué)家已經(jīng)成功培育出了ips細(xì)胞 (induced pluripotent stem cells, 誘導(dǎo)性多能幹細(xì)胞)。在不久的將來，也許利用一個體細(xì)胞就能培育

4、出一個嶄新的生命體。那麼，我們能把人體皮膚細(xì)胞單獨(dú)稱為生物嗎?毫無疑問，當(dāng)我們判斷某一物體是不是生物時,肯定存在著一個判斷標(biāo)準(zhǔn)。那麼，它又是什麼呢?,大約70年前，一個物理學(xué)家向生命之謎發(fā)起挑戰(zhàn)不管是像人類那樣鮮活的生命體，還是像巖石那樣堅硬的物體，如果不斷拆解下去的話，我們就會發(fā)現(xiàn)它們都是由無數(shù)個微小的原子組成的。既然都是由原子組成的，那麼，人類和巖石都應(yīng)該遵循相同的物理定律。但是，身為生命體的人類和非生命體的巖石卻擁有截然不

5、同的特徵。這些差異究竟從何而來?千百年來，生命一直是一個讓無數(shù)科學(xué)家困惑迷離的謎團(tuán)。量子力學(xué)的開創(chuàng)者之一,著名的物理學(xué)家薜定諤 (1887-1961)率先向生命之謎發(fā)起了挑戰(zhàn)，並於1944年出版了《生命是什麼》一書。在書中，他提出了一系列天才的觀點和大膽的設(shè)想：物理學(xué)和化學(xué)原則上可以詮釋生命現(xiàn)象。,這是一部石破天驚的書,它奏響了揭示生命遺傳觀奧秘的序曲。在這本巨著的影響和感召下，一批物理學(xué)家放棄了熟悉的研究領(lǐng)域，投身到生物學(xué)研究的洪

6、流中，立志獻(xiàn)身於揭開生命遺傳的奧秘。詹姆斯．沃森（James Watson, 1928）就是其中的一個,他於1953年－《生命是什麼》出版9年之後 － 發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，從此開啟了分子生物學(xué)時代,推動了近代生命科學(xué)的飛躍發(fā)展。如今，自《生命是什麼》出版以來已經(jīng)度過了將近70個春秋，生命科學(xué)和物理學(xué)已經(jīng)有了飛躍性發(fā)展。今天，面對“生命是什麼”這個困擾了一代又一代科學(xué)家的問題，我們又能回答出多少呢?,生命同樣受物理學(xué)定律支配不

7、管是人類那樣鮮活的生命體，還是巖石那樣堅硬的物體，如果一直拆解下去的話，我們就會發(fā)現(xiàn)它們都是由原子組成的。世界上並不存在只有生命體才擁有的特殊原子，也不存在只適用於生命體的特殊的物理定律。,人類、植物及細(xì)菌的共同特徵是什麼?草原上奔跑的動物，天空中翱翔的鳥類，春天裡竟相綻放的五顏六色的花草……都散發(fā)著勃勃生機(jī)，讓我們不得不驚嘆生命的偉大與不可思議。相反，面對路邊的石塊，我們卻絲豪感受不到生命的存在。由木頭製成的桌子和椅子也毫無生命

8、感，盡管它們的前世－樹木－也曾是鮮活的生命體。當(dāng)我們贊賞瓶中花兒的美麗時，如果猛然發(fā)現(xiàn)它竟是一束毫無生命的假花，頓時就會興致全無。,是什麼讓我們感受到生命的存在？生命究竟有什麼特徵呢?地球是所有生物的共同家園。從天空到陸地，從陸地到海洋，從海洋深處到大地深處，棲息繁衍著豐富多樣的生物?？蓯鄣膶櫸锕泛拓?、魚缸中悠閒自得游來遊去的魚兒、生機(jī)盎然的盆栽花草、令人厭煩的蒼蠅和蚊子……在我們的身邊，就生活著各種各樣的生物。也許你還不知道，你的

9、體內(nèi)和皮膚表面居然寄生著100多萬億個細(xì)菌。這個數(shù)字，會不會讓你大吃一驚？,假如有人問你，不管是細(xì)菌還是人類，所有生物的共同特徵是什麼，你會怎樣回答呢？例如，人類和狗都是哺乳類動物，在形態(tài)和生態(tài)上很容易找到共同之處，都有眼睛、耳朵和鼻子，食物種類相似，活潑愛動等等。那麼，人類與植物有共同之處嗎？與只有1/1000毫米大的大腸桿菌有共同之處嗎？放眼“地球上所有的生物”，它們又有怎樣的共同之處呢？,盡管形態(tài)各異，卻都是“生物”地

10、球上現(xiàn)存的有記載的生物種類大約有200多萬種。從存在量(總重量)來說，細(xì)菌和古細(xì)菌等微生物的存在量高於動物（動物的總重量為幾十億到100億噸，而微生物約有400億噸），植物的存在量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高於微生物（植物為1萬億到2萬億噸）。,甚至連大腸桿菌都能不斷適應(yīng)周圍環(huán)境而堅強(qiáng)地存活下去眾所周知，人體能感受光、聲音、氣味、熱量等來自周圍環(huán)境的刺激，並做出相應(yīng)的反應(yīng)。例如，氣溫升高時，我們就會出汗散熱;光線強(qiáng)烈刺激我們眼睛時，瞳孔就會不自覺地縮小

11、。當(dāng)我們發(fā)覺行進(jìn)的前方有障礙物時，就會主動避開，當(dāng)感到陽光太曬時，就會走到陰涼處。總之，我們會有意或無意地“趨利避害”，使自己處於更加有利的地位。,你知道嗎，甚至連大腸桿菌等原始生物，都能對周圍刺激做出反應(yīng)而頑強(qiáng)地活下來。大腸桿菌全身遍佈鞭毛，可以在鞭毛的驅(qū)動下有目的地運(yùn)動。鞭毛是一種細(xì)長的絲狀結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì)構(gòu)成，通過根部的“發(fā)動機(jī)”進(jìn)行控制。鞭毛向同一方向旋轉(zhuǎn)時，大腸桿菌就會前進(jìn);而當(dāng)部分鞭毛逆向旋轉(zhuǎn)時，推進(jìn)力則失去平衡，大腸桿菌就會

12、改變行進(jìn)方向。就這樣，大腸桿菌可以不斷地改變行進(jìn)方向，在大腸中自由自在地游來遊去。,此外，大腸桿菌的表面還有感知有害物質(zhì)的感受器。當(dāng)感受器感知到有害物質(zhì)時，會把這一信息傳遞給鞭毛的“發(fā)動機(jī)”，從而改變鞭毛的旋轉(zhuǎn)方向。也就是說，大腸桿菌能感知危險，並改變行進(jìn)方向。利用鞭毛不斷改變方向，大腸桿菌就能成功避開有害物質(zhì)，逃離危險。其實，乍一看根本不會動的植物也能對周圍刺激做出反應(yīng)。例如，在黑暗的房間栽培蘿蔔苗時，如果只從一個方向照射燈光的話

13、，蘿蔔苗的莖尖就會慢慢向光線方向傾斜生長，這就是對光刺激做出反應(yīng)的証據(jù)。也許可以說，“對周圍刺激做出反應(yīng)”是所有生物共有的一個特徵。這一機(jī)制不斷進(jìn)化，最終造就了最高級最完美的生物－人類。,趨利避害－遠(yuǎn)離有毒物質(zhì)，靠近有益物質(zhì)大腸桿菌利用身體表面的感受器對有害物質(zhì)(金屬離子等破壞細(xì)胞的物質(zhì))做出反應(yīng)。感受器(受體)由蛋白質(zhì)構(gòu)成，當(dāng)感受器結(jié)合到有害物質(zhì)時，讓鞭毛逆向旋轉(zhuǎn)的“開關(guān)”就會打開，從而改變大腸桿菌的行進(jìn)方向。就這樣，大腸桿菌

14、利用鞭毛不斷調(diào)整遊動方向，最終遊到有害物質(zhì)少的安全場所。利用身體表面的感受器，大腸桿菌不僅能遠(yuǎn)離有害物質(zhì)，還可以靠近營養(yǎng)成份(糖或氨基酸)多的地方，或者溫暖的地方(更加利於生存的環(huán)境)。,糖分、氧氣、光、水……必定要“吃些”什麼?眾所周知，人類生存離不開空氣(氧氣)、水和食物。沒有這三種物質(zhì)，所有的動物都不能生存。水、礦物質(zhì)(無機(jī)物)和陽光則是植物生長的必要條件。所有的生物都必須“從外界獲得營養(yǎng)”才能生存下去。營養(yǎng)是指生物維持機(jī)

15、體功能、生長發(fā)育所必須的物質(zhì)。盡管不同生物所需的營養(yǎng)各不相同，但是，世界上根本不存在完全不需要營養(yǎng)的生物。,生物從外界攝取營養(yǎng)，並通過一系列的化學(xué)反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持自身各項生命活動所需的能量或自身物質(zhì)。這一轉(zhuǎn)變過程稱為“代謝”。與此同時，生物體在通過代謝活動充分吸收和利用從外界環(huán)境中獲取的營養(yǎng)後，把不需要和不能利用的廢物再次排出體外。實際上，作為從外界獲得營養(yǎng)的先決條件，所有的生物都具備一個特徵－區(qū)分自身(內(nèi)部)與自身之外(外部)

16、的界限，即“內(nèi)外有別”。你是不是覺得這個特徵聽起來再普通不過、理所當(dāng)然呢？但是如果沒有內(nèi)外之分的話，生物體也就根本不能從外界攝取營養(yǎng)了。,從外界攝取營養(yǎng)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨砦镔|(zhì)或能量，並把不需要的廢物排出體外不管是植物還是動物，所有的生物體都要把從外界攝取的營養(yǎng)轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì)或維持生命活動所需的能量，同時還要把不需要的廢物排出體外。生物體必須與外界環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)的交換和能量的流動，否則就無法生存。植物利用太陽光能，以水和二氧

17、化碳(無機(jī)物)為原料，生成有機(jī)物和維持生命活動所必須的能量，這個反應(yīng)過程就是光合作用。氧氣是光合作用的副產(chǎn)物。光合作用所合成的有機(jī)物主要有兩大類，一類使植物具有一定形狀，例如纖維素;另一類可作為自身能源使用，例如澱粉。,動物則靠攝取植物製造的氧氣和有機(jī)物生存，將其轉(zhuǎn)化為自身物質(zhì)或維持生命活動所有的能量，並把不需要的二氧化碳、熱量以及從外界攝取的機(jī)物所分解成的無機(jī)物或有機(jī)物排出體外。生物生命活動所需的能量，歸根結(jié)底是來自於太陽的光能。

18、,生物的遺傳：龍生龍，鳳生鳳狗每胎一般產(chǎn)仔10隻左右，翻車魚具有超強(qiáng)的生殖力，一次可產(chǎn)卵幾億粒，堪稱海洋中最會生產(chǎn)的魚：蒲公英的種子帶著絨毛，宛如小小的降落傘，隨風(fēng)飄揚(yáng)，落地生根;青霉則依靠孢子進(jìn)行生殖?？偠灾魏我粋€生物體都會以自己持有的方式繁殖後代從而延續(xù)生命。繁殖是所有生命都有的基本現(xiàn)象之一。其中最重要的一點是，子代與親代在形態(tài)構(gòu)造、生理機(jī)能上非常相似。俗語說“龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞”，親代將自己的特征傳遞給

19、子代，繁殖出與自己性狀相似的後代，這就是遺傳。,繁殖是在細(xì)胞分裂的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，一個細(xì)胞分裂成兩個細(xì)胞，最終形成兩個相同的個體。細(xì)菌和原生生物 (阿米巴原蟲等) 屬於單細(xì)胞生物，由單個細(xì)胞組成，全部生命活動在一個細(xì)胞內(nèi)完成。單細(xì)胞生物的細(xì)胞分裂，意味著個體數(shù)量的增多。多細(xì)胞生物，則是指由多個分化的細(xì)胞組成的生物體，其分化的細(xì)胞各有不同的、專門的功能。多細(xì)胞生物繁殖後代的機(jī)制遠(yuǎn)比單細(xì)胞生物複製，其生命開始於一個細(xì)胞 － 由卵子和精子等