二十世纪最“反直觉”的伟大生物学发现:化学渗透(一)

from 科学松鼠会 http://songshuhui.net/archives/74604

本文作者:一起剥坚果

作者:曼斯·雷德

本文发表于豆瓣“科学松鼠会读者花园小组”。

作者关于自己的星星细语:私人教育机构讲师,计算机专业硕士。曾用笔名“小麦”发表几篇科幻小说。

在以前本小组的讨论中,我曾提到“比如你如果不理解所有生物共有的膜渗透能量供应化学原理,你就根本无从评价任何生命起源的理论。”

在一篇题为“为什么还有这么多人相信进化论?(http://www.douban.com/group/topic/27216605/)”的帖子中,蒙hongdou网友发信询问,所以这篇文章既是一篇泛泛的科普,也是对这个问题的具体介绍。

一.直觉与反直觉

直觉(intuitive)和反直觉(counterintuitive)是科学讨论在描述一个科学理论或者发现的时候,经常使用的二分法。这个叫法本身并不那么科学和严谨,但是其中的意味却是无限深长的。

既然不严谨,我也不去定义它,只看范例:

最简单清楚的直觉理论,在古希腊科学有很多范例。比如“刚性物体排开的水量等于它的体积”。比如欧几里得平面几何中的公设和简单定理。“凡直角都相等”,“两点之间直线最短”,初学几何的人,都会想这不是废话吗。等到用这些废话为基础武器,逐步分解,证明了其他复杂得可怕的理论,我们才知道废话的精辟之处。这就是直觉理论最原始的特征:不言而喻。然而,即使在这种萌芽时代的智慧中,也埋下了“反直觉”理论的种子,那就是仅仅“篡改”了一条欧几里得公设,就闯出一片新天地的罗氏几何。

【图片出处:medicobsantiago.obolog.com】

牛顿第三定律是另一个直觉理论的例子:作用力必然导致反作用力。这看起来也是不言而喻的废话。但牛顿第一定律就不是了:“物体将保持它的运动状态,直到外力改变它”。这是一个相对原始的反直觉理论。在今天,初中物理课修完的同学也许会不同意这是反直觉的。但是在牛顿的年代,这却是彻头彻尾的反直觉。无数牛顿之前的大学者,都理所当然地认为物体要保持运动,必须不断注入外力。这才是费劲力气保持各种物体运动的古代人类的“直觉”。另一个直觉对阵反直觉的著名例子是伽利略对阵亚里斯多德(我不叫它“比萨斜塔实验”,是因为这个传说本身是有误的。但是双方的论点是明确无误的)。“更重的物体下落更快”,这样既简单又错误的直觉,连亚里斯多德这样的智者都不能免俗。可以保证,即使在21世纪的今天,一个纯文盲多半仍然会有这样的直觉。

直觉与反直觉是相对的,也是可以培养的。经过一定科学训练的人(比如说读完初中物理),他的直觉会超越两足动物的局限,随着训练的程度达到新的精确度,比如说把牛一定律变成他的直觉。但一个人具体的生活年代和环境,并不反映他应有的直觉水平,或者他的直觉正确程度。比如我95岁的奶奶(文盲),直到今天仍然不同意我说的地球围着太阳转。比如美国仍然有20%以上的人认为地球生命历史不超过4000年。

十八、十九世纪是直觉型科学理论达到顶峰的年代。能量守恒定律(在不久以后就将被进阶的“反直觉”理论给河蟹了),热力学第二定律(“一个房间不花力气整理只能越来越乱”),在它们刚刚被提出的年代,文盲仍然会认为是反直觉的,受过良好科学训练但非专业的头脑,一听到就知道是正确的。而真正的前沿研究者则是醍醐灌顶:“这么简单明白,怎么我就没有归纳出来呢?”非常精彩,非常辉煌,但在物理学上,一般人类直觉能够企及的高度也就到此为止了。接下来的爱因斯坦、海森堡、薛定谔,一个比一个猖狂地反直觉。相对论刚刚提出的时候,不要说普通人,就是顶尖物理学家,也认为爱因斯坦简直是在说胡话。对今天世界上99%的人来说,相对论和量子物理仍然是胡话。然而我们现在都知道,他们是正确的。因为广岛真的被炸掉了,我们车上装的GPS也真的用上了相对论校正。

“反直觉”的优势在现代物理学中很清楚。能够以普通人类直觉发现的真理,基本都被发现了。剩下的真理必然都很古怪难以接受。在这样的高度还去依靠直觉,多半都要犯错误。比如爱因斯坦的“上帝不掷骰子”,听起来很美好很庄严,结果证明错误。同样是老爱的坚信宇宙密度常数严格等于1,宇宙会无限震荡,听起来很和谐很完满,从现在的证据看来,也是错得离谱。即使是无数物理学家(再一次包括老爱)追求的圣杯:统一场理论,也是一个高级的直觉型假说,前景仍然不妙。总之在现代物理学中,寻求反直觉的答案,克服直觉障碍去接受和欣赏反直觉的理论,反而被养成了研究者的本能。看看霍金有多少胡话(姑且不说他的胡话站得住脚不),以及被学界和起哄界怎样异口同声地热捧。

然而在生物学中,直觉与反直觉的力量对比就完全是另一回事了。

达尔文的进化论,是生物学中开天辟地的反直觉理论。在著名的钟表匠辩论中,神创论者洋洋得意的雄辩(Paley主教:“我们看见地上有一个精致的怀表,自然能肯定某处一定有一个钟表匠!”),首先是一个蹩脚的比喻,然后不过是一个粗浅短视的人类直觉。如果放到现代物理学那种气氛中来看,连认真驳斥的价值都没有。然而这种直觉式的大脑当机,却能跟进化论翻翻滚滚地斗上一百多年。直到今天,仍然妨碍大众在生物学上入门,仍然堂而皇之披上科学的外衣来反科学,仍然有少数严肃的学者在掉进相同的直觉陷阱(Fred Hoyle,天文学家和数学家:“生命起源于地球的概率就像大风吹过机械垃圾场组装出一架波音747的概率”。这句话被各种神棍肆无忌惮地篡改,主语直接变成了“进化论”。实际上Hoyle并不反对进化论原则,只是在概率计算上有异议,从而认为地球生命必然有地外来源,才有时间来满足他的概率计算结果。他的领域是生命起源)。这篇文章的主题不是跟他们叫板,所以这里先暂且不提,后文再加讨论。

并不是说,科学家就不会被直觉蒙蔽。前面曾提到,反直觉天才如爱因斯坦,也曾连挖三个直觉的大坑。只是在生物学中,直觉理论的顽固性来得特别的强,而对反直觉理论的接受来得特别的艰难,不管大众和专业领域都是如此。进化论就曾有直觉与反直觉的争论,即是用进废退学说和自然选择学说。在那个对遗传的物质细节一无所知的年代,用进废退理论的描述来得如此自然。“长颈鹿需要吃高处的叶子,伸着伸着脖子就变长了”,直到我上小学《自然》的时候,我的老师仍然是这么讲的!近两百年之后都还是这样,可想而知达尔文主义在初生年代的四面楚歌。话说回来,即使艰深繁杂如生物学,仍然是科学。科学的伟大就在于在科学的竞技场中,我们可以肯定真理必胜,即使前面被拍倒一百次,走上一千个曲折。人生中其他的事情,不管是政治、感情、事业还是道德正义,我们都不能打这样的包票。这也是科学对我的终极吸引力。

这篇文章要介绍的化学渗透理论,就被誉为二十世纪最伟大的“反直觉”生物学发现,虽然它并不为公众熟知。这里所说的直觉,并非一般常识,已经是二十世纪生物学家和化学家中非常精深的理论直觉了。然而当直觉走入死胡同时,一个“怪异”程度不下于相对论或者进化论的新理论蹦了出来。它在初期所受到的不公正待遇,以及它最后的辉煌成功,都是可以相提并论的。

文字编辑:Ent

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