今天讲的题目是“生物是物、生物有理”，说一点“活物”的物理。“物理”这两个字来自庄子。我非常喜欢庄子的这段话：“天地有大美而不言，四时有明法而不议，万物有成理而不说。圣人者，原天地之美而达万物之理。”做物理的人是圣人，在这个意义上讲，我们要把大自然的美弄清楚，达万物之理。
如果大家到颐和园去玩，上到排云殿，那是园中园，要另外花钱买票。从西面下来，有一个铜亭，从铜亭出来的时候有一个门，出这个门以后回头看一下那幅对联，有一句叫“物含妙理总堪寻”。
20世纪的物理学，从微观世界到宇观世界，都研究得又深又远、又微又细，可谓博大精深。不过以前研究的基本上是“死物”。然而，20世纪的物理学也有一些方面，比如对凝聚态、高分子、橡皮、非晶态、液晶的研究，现在叫“软物质”的研究，已经给研究“活物”做了很多准备，而且有一些直接的贡献。
从理论上看，20世纪有很大发展的数理科学、随机过程、统计物理、计算机科学、非线性科学、复杂系统的研究，实际上给我们研究“活物”也提供了相当多的准备。
有人说21世纪是生物学的世纪，我作为一个物理工作者，宁愿说21世纪是活物质和生命现象成为物理学研究对象的时代。说得稍微远一点，作为物理学工作者，我要说，许多学问用物理学去做了，这门学问才能彻底弄明白。看看化学的例子，化学其实比物理还古老，从炼金术、炼丹的时候就开始了，但是化学的基本东西没有弄清楚。什么叫化学反应，实际上等到物理把原子和分子弄明白了，化学才彻底明白了。生物要复杂得多，物理学跟生物在21世纪会发生非常多的交叉和相互作用，我不敢说是彻底，但要比较深入地了解生命现象，物理学是肯定可以起到作用的。
生物学对物理学有过很大的贡献，有一个例子就是能量守恒定律。这个能量守恒定律是生物学家、医学家先弄明白的。德国有个叫迈尔（J.R.Mayer）的医生，他是一个随船大夫。1840～1841年，他在爪哇岛给病人看病时，发现那里的人的静脉血和动脉血比较鲜红。那时，拉瓦锡（Lavoisier）已经知道血液是输送氧气的，所以迈尔想，之所以在爪哇岛上的人的血液鲜红，是因为那个地方温度高，人们消耗的热量少一些所致。他进一步想到马吃草，然后拉车，车轱辘在石头路上打出火花来，这都是能量在变，而这个能量一定是来自吃的草料里的能量。所以他想，机械能跟热量一定有关系，大家在物理学里学到过热功当量。实际上迈尔大夫是最早认识热功当量的人，不过他算得并不精确。他想发表文章，把文章寄到德国的物理杂志，但被很多杂志拒绝了，他们接受不了他的这个观点。最后他找了一个小杂志，算是发表了一篇文章，时间是1842年，比焦耳（J.P.Joule）的文章早了一年，焦耳的文章是1843年。后来，赫姆霍兹把这个定律推广到其他的现象，乃至生命现象。
从历史上看，物理学给生物学提供了非常多的研究工具，显微镜就是非常重要的一个。显微镜是16世纪末在荷兰发明的。有一个荷兰人叫列文虎克（Leeuwenhoek）， 1683年，他把脏水放在显微镜下面观察，看到很多小的活动的东西。大约90年以后，人们才确认这些小东西是生物。X射线衍射测定晶体结构，对生物学起到了很大的作用。2003年，全世界都隆重纪念DNA双螺旋结构发现50周年，1953年，发现双螺旋结构的一个很重要的实验根据就是用X射线衍射得到的。这个实验是把DNA结晶，然后做X射线衍射，在衍射图里可以看到有螺旋结构的图像。同样，蛋白质的结构最早也是用X射线衍射测定出来的。1957～1959年，英国的佩鲁兹和他的学生肯德鲁确定了肌红蛋白和血红蛋白的结构，这是在肌体里传输和保存氧气的蛋白质。他们在市场上买到新鲜的鲸鱼肉，鲸鱼是哺乳动物，它要呼吸，但它长时间在水下，需要在肌肉里保存比较多的氧，因而它的血红蛋白比较发达。他们从新鲜的鲸鱼肉开始提取分离蛋白，然后把它结晶，最后测它的结构。血红蛋白比肌红蛋白大，4个肌红蛋白凑在一起与一个血红蛋白差不多大。老师跟学生说：“你做小的，我做大的。”大家要注意，人家的老师是自己动手的，现在有一些老师只动口，不动手，这不是好现象。学生在1957年做出来，老师在1959年做出来，差了两年，不过在那个时代，差两年可以认为是同时做出来的。如果大家查一查这位老师的经历，就会知道他为把这个结构测定出来，准备工作做了30年，才定出来最早的蛋白质的结构。因此在60年代初，师生两个人分享了诺贝尔化学奖。
其他还有各种各样的仪器，我只能点一下名字，各种各样的显微镜、扫描电镜、隧道电镜等；各种各样的光谱设备、放射性的标记、示踪原子等；还有核磁共振，它对认识生物起了很大的作用。近100年来的诺贝尔奖，大概有5个跟核磁共振有关联。如果用X射线测定蛋白质，一定要把蛋白质分离并结晶才能做，很多蛋白质不知道该怎样进行结晶，其实这已经不是科学问题，而是一种艺术了。但是如果用核磁共振来测定，可以在溶液里进行，不要求结晶。还有很多仪器从本质上看都是物理仪器，但在生物和化学的实验室里发挥了很大的作用。
1943年，由于战争的缘故，量子力学的创始人之一薛定谔在英国爱尔兰首府都柏林工作，他在那儿做了两次公众演讲，演讲的题目叫“什么是生命”。这是个非常著名的演讲，他把这个演讲整理出来，出了一个小册子，后来被翻译成世界各国语言，包括中文。在演讲里他提出了一些对现代生物学起了很大作用的思想。比如他说人吃饭或者动物吃东西，吃的究竟是什么？到现在很多人都说，我们吃的是热量，他说我们吃的是负熵。熵是混乱程度的测量，一个东西越乱熵越高；越有组织，越有系统，熵就越低。他说我们吃的是负熵，吃的是有组织的东西，增加我们组织程度的东西。从哲学上讲，这叫做异化和同化，要把吃的东西分解到一定的程度，不能太大也不能太小，但是要很合算，才开始吸收。吸收以后，不能因为你吃了猪耳朵就长出猪耳朵，耳朵还是你的。所以异化和同化的过程，在大自然的进化里解决得很好。
1943年，基因的概念已经有了，基因这个词是20世纪初出现的，那个时候人们知道许多重要的遗传特征藏在基因里面，基因排在染色体上，而且估计大概是线性排列的，甚至估计过一个基因很可能是由几千、上万个原子组成的，因为在那个时候人们已经相信物质的基本组成都是原子、分子。如果估计出来一个基因是几千、上万个原子，马上就遇见一个严重的物理问题，这个物理问题是热涨落。遗传是非常保守、非常顽强的，虽然有点变异，变异率是相当低的。粗略地说，如果看一个蛋白质的某一个固定位置上的氨基酸，什么时候会从一个变成另外一个，这个在一年里发生的概率是十亿分之一，概率非常低，基本上非常保守。正因为这个缘故，才能种瓜得瓜，种豆得豆。然而人生活在37℃生理温度下，原子不断运动，热涨落就会把保存的信息破坏掉，怎么解释这个信息能够一代一代在几十亿年中保留下来，是一个根本性的物理问题。当时还不知道这个基因就是在DNA里，薛定谔猜测大概基因藏在某种“非周期晶体”里，在他说了这个话10年之后，1953年就测出了DNA双螺旋结构。大自然把一个个基因连在非常大的大高分子里，热涨落的作用就要小多了。大家可能听说过遗传密码或三联码，“三”的思想也是物理学家先提出来的，有一个物理学家叫伽莫夫（Gamow），1953年测出双螺旋结构，1954年他就猜测基因一定是三联码。
生物学引论
生物学跟物理学有一个很不一样的地方，就是进化。我们搞物理的喜欢定态，事物不随时间变，如果变的话也是周期性变化，这类系统我们研究得比较多。一接触生物，就得知道所有的东西都是进化来的，而且现在还在变。想了解进化，最好的办法就是看一下地球上的自然史。
140亿年前的大爆炸，产生了我们所在的这部分宇宙，40多亿年，将近50亿年前产生了太阳系，这些年代都不那么可靠，人们用各种方法想办法推算。30多亿年以前，在地球上出现了最简单的生命；恐龙灭绝是6500万年以前，不到一亿年；人类与猿类分离有说在700万年前；人类跟我们最近的亲戚黑猩猩分开在70万年前。我们的祖先从非洲走出来好多次，很多次都失败了，没有存活下来。我们现代人的祖先是智人，智人是生物学的学名。我们的祖先从非洲走出来到现在，大概只有3000代。这件事发生在大概不到10万年前，有一小群人从非洲走出来，有人估计这群人绝对没超过50个人。就是这一小群勇敢分子，沿着海边，他们那个时候学会打鱼，一步步走到世界各地，成为了我们的祖先。
这些数字告诉我们，整个地球上的生命现象的变化，发生在几十亿年的时间里，而人类社会的历史实在太短。公元前221年秦始皇统一中国，到现在才2200多年，时间非常短。在这么短的时间里，人已经从所有生活在地球上的动物里面彻底脱离出来，脱离到由我们主宰这个地球，脱离到所有别的物种的生存依赖于我们，我们自己也开始认识到这个问题，开始认识自然，认识我们自己。不过人类认识自然、认识自己的过程更晚。19世纪中的1859年，这是个很重要的年头，大家应当注意一下。1859年，达尔文发表了著名的书叫做《物种起源》，这是现在的书名，我愿意用第一个中文翻译本叫“物种原始”。1859年，对于我们认识生物、认识自然界是重要的，因为达尔文的进化论那个时候提出来了。1859年对物理学是重要的，大家可能听到过量子力学的产生是由于经典物理遇见了一些大的矛盾解决不了，其中有一个矛盾就是描写黑体热辐射的理论是个发散的理论。而量子论实际源头就是从那儿开始的，这个克希荷夫辐射定律就是1859年发表的。马克思的名著《政治经济学批判导言》也是在1859年发表的。
生物太多了，怎么研究？不可能研究所有的各种各样的生物，所以生物学家们几十年、上百年来把工作集中到一些典型的生物上，比方说大肠杆菌、病毒、酵母，酵母是单细胞的，但是它不能叫细菌，它相当高级，跟人一样是有细胞核、染色体，细菌只有在细胞里漂着的DNA，没有跟我们一样意义上的染色体。有一种非常短的小虫子叫线虫，还有一种果蝇，也都立了大功。
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