【文章內(nèi)容簡介】 里，薛定格第一次引入了負熵的概念。按照熱力學(xué)第二定律，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠向著增大的方向發(fā)展以至系統(tǒng)越來越無序，但是生命體卻是向著有組織、有序的方向發(fā)展的。薛定格正是抓住了生命的這一重要特征，把負熵和生命活動連在了一起。系統(tǒng)論的創(chuàng)始人貝塔 朗菲在《生命問題》一書中稱：“一個活的有機體是個開放的階序系統(tǒng)，它借助于自身的條件，在交換成分中保持自身。” 運用現(xiàn)代物理及系統(tǒng)的思想研究生命現(xiàn)象有著深遠的意義，是探索物理學(xué)與生物學(xué)統(tǒng)一的先驅(qū)。事實上，澳森和克里克正是在讀了《生命是什么》后，才立志投身于分子生物學(xué)的研究。日本遺傳學(xué)家近藤原平把《生命是什么》這本書的出版看成是生物學(xué)界革命的象征。 當(dāng)然，把生命現(xiàn)象和生命運動完全還原為物理化學(xué)現(xiàn)象和物理化學(xué)運動是不足取的。 在生命本質(zhì)的認(rèn)識上，上節(jié)討論過的復(fù)雜性科學(xué)將提供新的說明。圣達菲研究院的斯圖亞特 考夫曼在他的《宇宙為家》一書中寫道：“簡言之，裸 RNA和裸核糖體多聚物假說，對于我們觀察到的所有自由細胞的最低限度復(fù)雜性沒有給出一個深刻的描述。我堅持認(rèn)為，我在第三章里描述的有序起源的原理還是說得通的。那個原理闡明，物質(zhì)為什么必須達到某一特定的復(fù)雜性水平才能一躍而成為活物。這個臨界值并不是隨機變異和自然選擇的事故；我堅持認(rèn)為，它是生命本質(zhì)的題中應(yīng)有之義?！保ǖ?55頁） 總之，在生命科學(xué)中運用還原方法的同時必須考慮生命現(xiàn)象的復(fù)雜性。因為，生命現(xiàn)象和生命運動確實有其自己的特點。首先，地球上的生命都是由 核酸和蛋白質(zhì)大分子為基礎(chǔ)構(gòu)成的。核酸（ DNA和 RNA）在生命整體和個體的延續(xù)中起信息載體的作用，蛋白質(zhì)則起信息識別和功能表達的作用。其次，生命體總是不停地與環(huán)境發(fā)生著物質(zhì)和能量的交換，這種交換及產(chǎn)生這種交換的機制就是新陳代謝，而且，如果交換物質(zhì)和能量過程中得以降低自身的熵值（即從外界汲取負熵），生命就獲得肯定性的發(fā)展，反之為否定性發(fā)展。第三，生命體具有遺傳和變異的特性。第四，生命體是一個具有高度組織的開放系統(tǒng)，能接受并處理外界信息以及產(chǎn)生信息。第五，能自我調(diào)節(jié)，對環(huán)境具有適應(yīng)性反應(yīng)。最后，生命體是發(fā)生和死亡的統(tǒng)一，正是因為生命個體有生有死，才有生命整體的永恒不絕。 這樣，關(guān)于生命本質(zhì)的目前認(rèn)識可歸結(jié)為：生命本質(zhì)上是一個由核酸和蛋白質(zhì)組合而成、具有自我更新能力的高度有序的對物質(zhì)、能量、信息進行加工、處理、貯存的復(fù)雜多分子體系，它有自我調(diào)節(jié)、自我復(fù)制和對體內(nèi)外環(huán)境作出選擇性反應(yīng)的屬性。 意識的本質(zhì) 關(guān)于意識的本質(zhì)和對大腦的研究是生命科學(xué)中又一重要課題。大腦是產(chǎn)生意識的器官，意識的復(fù)雜性很大程度上是因為大腦的高度復(fù)雜性。人的大腦僅 34磅重，但卻包含著大約1000億個神經(jīng)原，這是一個與銀河系中恒星總數(shù)在數(shù)量級上相同 的天文數(shù)字。那么大腦的復(fù)雜性是否就因為有著如此多的神經(jīng)原的緣故呢？當(dāng)然不是這樣。肝臟幾乎同樣有 1000億個細胞，但是，再多的肝臟合在一起也不能替代大腦豐富多彩的生命活動。腦的高度復(fù)雜性部分原因在于組成大腦的神經(jīng)細胞的多樣性。神經(jīng)細胞分為神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞。其中神經(jīng)元，按照形態(tài)的差異有大錐體細胞、小錐體細胞、顆粒細胞、短軸突神經(jīng)元及普頃野細胞等多種，按照其功能的不同又可區(qū)分為傳入神經(jīng)元、傳出神經(jīng)元和中間神經(jīng)元。神經(jīng)膠質(zhì)細胞也有許多種類，如纖維星形膠質(zhì)細胞、原漿星狀膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和室管膜細胞等。對于神經(jīng)元來說，除了有不同的形態(tài)外還存在著分子的差異。而且，盡管所有的細胞都有相同的基因，但是在不同組織中的細胞對于基因的表達有不同的選擇，目前已在視網(wǎng)膜的無長突細胞、小腦的普金基（ Purkinje）氏細胞以及脊椎的運動神經(jīng)元中見到了這類有選擇表達的基因。除了結(jié)構(gòu)和分子的差異外，神經(jīng)元還有輸入和投射的不同。 在研究神經(jīng)元的復(fù)雜性的同時，還發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元具有同一性。同一性表現(xiàn)在功能相似的神經(jīng)元都集合成柱狀或板狀而穿過皮層并且所有的神經(jīng)元都以極為相似的方式傳導(dǎo)信息。信息沿著軸突以動作電位的短促電脈沖形式在神 經(jīng)細胞內(nèi)傳遞。動作電位是速率和頻率小而恒定的電信號，快速的思維要通過由軸突形成的數(shù)以千計的連接。但是動作電位不能從一個神經(jīng)細胞跳到另一個神經(jīng)細胞，神經(jīng)元之間的信息傳遞由化學(xué)遞質(zhì)介導(dǎo)。當(dāng)一個動作電位到達軸突末端時，遞質(zhì)就從突觸前的囊泡中釋放出來?，F(xiàn)在已經(jīng)鑒定出的化學(xué)遞質(zhì)有氨基酸、肽類和單胺類等。 大腦中軸突、突觸、動作電位和化學(xué)遞質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，充分說明大腦的活動過程是神經(jīng)元的活動過程，是電的、化學(xué)的過程，是物質(zhì)的過程。但是，我們不能認(rèn)為意識就是這些過程的總和。因為，意識的產(chǎn)生不只在于人具有高度完善的神經(jīng)系統(tǒng)，還在 于大腦不斷地接受周圍環(huán)境的作用?，F(xiàn)代腦科學(xué)研究證實，人在嬰兒期，如果沒有外界的良性刺激，不但會影響大腦的正常發(fā)育，而且也不可能產(chǎn)生意識。不過，關(guān)于環(huán)境刺激與大腦內(nèi)信息流的產(chǎn)生、傳遞之間的精密關(guān)系，尚有待進一步研究。當(dāng)前已經(jīng)知道感覺系統(tǒng)是分層排列的，隨著距離的增加，神經(jīng)元對復(fù)雜刺激的越來越抽象方面起反應(yīng)；還知道，信息并不是沿單一通道傳輸?shù)?，即使是單一感覺，它的不同特性也是沿多通道被平行處理的。 四、技術(shù)前沿 信息技術(shù)的前沿 信息技術(shù)是當(dāng)代高技術(shù)的前導(dǎo)，是高技術(shù)的主體。從技術(shù)的本質(zhì)意義 ( 擴展或延長人的器官能力 )上，我們可認(rèn)為信息技術(shù)是能夠擴展人的信息器官功能的技術(shù)，是能夠完成信息的獲取、傳遞、加工、再生和施用等功能的一類技術(shù)。信息技術(shù)一般可分成感測技術(shù) (感覺器官的延長 )、通信技術(shù) (傳導(dǎo)神經(jīng)功能的延長 )、智能技術(shù) ( 思維器官功能的延長 )和控制技術(shù) (效應(yīng)器官功能的延長 )四個基元。 其中感測技術(shù)包括傳 感技術(shù)、測量技術(shù)、遙感遙測技術(shù)，通信技術(shù)包括衛(wèi)星技術(shù)、光纜技術(shù)、電訊技術(shù)等，智能技術(shù)包括計算機技術(shù)、人工智能專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，控制技術(shù)包括自動機械，伺服等技術(shù)。信息技術(shù)和其他高技術(shù)有著極為密切的聯(lián)系，新材料和新能源技術(shù)是信息技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而微電子技術(shù)、激光技術(shù)、生物技術(shù)、機械技術(shù)是信息技術(shù)的支撐技術(shù)。 計算機技術(shù)和通信技術(shù)是信息技術(shù)中發(fā)展最快的兩大領(lǐng)域。電子計算機從 1945年第一臺問世以來，已經(jīng)歷了四個階段 (或稱四代 )。第一代 (19461958年 )，其主要元件是電子管，這一代計算機體積大、 耗電量多、 速度不大，如第一臺電子計算機共有 18000多只電子管，重量達 130噸，占了一間 170M2 的大廳，每小時耗電 140度每秒鐘只能作 5000次加法運算；第二代 (19591963年 )硬件用晶體管，體積縮小，功能提高；第三代 (19641970年 )硬件用中、 小規(guī)模集成電路；第四代 (七十年代初以后 )：硬件用大規(guī)模集成電路，體積大大縮小。微型電子計算機出現(xiàn)。 1975年起，“個人計算機”推向市場。微機型號已從 808 808 80288038 8048 80586發(fā)展到“奔騰Ⅳ”，速度越來越快， 功能越來越多。目前，電子計算機的運算速度已超過每秒萬億次。 2020年，美國 Cray公司開發(fā)出世界最高速的超級計算機X1，其計算速度達每秒 52萬億次。在信息貯存技術(shù)上，英日科學(xué)家在 1993 年發(fā)明了單電子存貯元件， 1比特信息只需一個電子。 除了電子計算機，運算速度更快的光學(xué)計算機、生物計算機和量子計算機正在研制之中。 光子計算機是利用光來傳遞和處理信息的計算機。我們知道光速是自然界一切物質(zhì)運動速度的上限，電子的運動速度與光子相比要慢一兩個數(shù)量級，而決定元件開關(guān)時間的電子在外加電場中的漂移速度要比光速慢得多。另 外，光子是中性的，它不受計算機內(nèi)部和外部的電磁干擾，而且光信息處理可以并行完成。預(yù)計光子計算機的運算速度可以達到每秒 1萬億次，比目前以硅為主要材料的電子計算機至少快 1000倍以上。 1993年已經(jīng)支制成了第一臺光學(xué)計算機。 生物計算機是根據(jù)生物大分子（如 DNA）具有存儲和處理信息功能的原理，將生物元件代替電子元件而設(shè)計制造的計算機。在生物計算機領(lǐng)域內(nèi)目前關(guān)注較多的是 DNA計算機。預(yù)計DNA計算機可比普通的電子計算機節(jié)能 10億倍，占用的信息存儲空間只相當(dāng)于普通電子計算機的萬億分之一。 DNA計算機的更為神奇 之處是具有生物活性，可以自我復(fù)制、自我組合。1978年已經(jīng)制成世界上第一個有機晶體管， 1983年誕生了第一塊生物芯片。 量子計算機是把量子力學(xué)和計算機結(jié)合起來的新型計算機。 1982年美國物理學(xué)家費因曼（ ）首次討論了把量子力學(xué)用于計算機的可能性， 1985年英國牛津大學(xué)的多茨（ ）初步論述了量子計算機的概念，并且指出量子計算機將比現(xiàn)有的電子計算機具有更大的功能。量子計算機的計算原理是量子計算，量子計算的最大特點是一次操作能同時處理許多狀態(tài)，這種特性也稱為量子并行性 。正是這種特性使量子計算機的計算速度和能力將大大超過現(xiàn)在的電子計算機。 1998年， IBM公司的科學(xué)家（ ）成功地實現(xiàn)了兩個量子數(shù)據(jù)位的量子搜索實驗，給出了量子計算的第一個演示實例。當(dāng)然，目前的研究狀況距離最終目標(biāo)還遠得很，量子計算機的最后實現(xiàn)將建立在量子力學(xué)的一系列基本問題 ——如量子相干性及退相干、量子非定域性（ quantum nonlocal）、量子隱形遠程傳態(tài)（ quantun teleportation,或譯作“量子離物傳態(tài)”）等問題 —— 解決的基礎(chǔ)之上。 20世紀(jì) 70年代以來，通信技術(shù)依 靠衛(wèi)星通信、光纖通信、數(shù)據(jù)通信、圖視通信和移動通信的高度融合以及與計算機技術(shù)的結(jié)合，逐步實現(xiàn)著通信的數(shù)字化、寬帶化、綜合化、個人化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。 20世紀(jì) 90年代出現(xiàn)的國家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（ NII，又稱信息高速公路）是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的結(jié)合。現(xiàn)在，國家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的建設(shè)正方興未艾，世界各國幾乎都制訂了自己的“信息高速公路”計劃。美國政府在 1993年 9月 15日第一個宣布實施“ 國家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)行動計劃 (NII)，預(yù)計耗資 4000億美元 ,到 2020年建成 ,歷時20年。 1993年 12月，歐共體委員會 公布了德洛爾白皮事，計劃在今后五年投資 330億法朗， 用以開發(fā)歐洲信息網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。 1994年，加拿大宣布進行“信息高速公路”首次大測試。中國、日本、新加坡、韓國、澳大利亞等國家和地區(qū)也相繼提出了“信息高速公路計劃”，日本計劃最遲在 2020年通過信息網(wǎng)絡(luò)把每個家庭與商店、銀行等聯(lián)成一體。 實施信息高速公路計劃有 5項技術(shù)將會成為它的主要構(gòu)件， 它們是：網(wǎng)絡(luò)化的計算機系統(tǒng)、無線通信、文件傳輸服務(wù)、可視通信技術(shù)及聲音和音頻處理技術(shù)。信息高速公路計劃的實施，還意味著將由電子信息時代轉(zhuǎn)向光子信息時代，光子信息技術(shù)包 括光盤存貯技術(shù)、光學(xué)信息處理技術(shù) (光學(xué)計算機 )、光纖傳輸信息技術(shù)等。 生物工程的前沿 基因工程在當(dāng)代技術(shù)前沿中有著舉足輕重的地位，它作為在分子層次上定 向控制遺傳的技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展到可以對包括人類在內(nèi)的各生物體進行基因組測序 。 1990年美國首先提出人類基因組計劃，經(jīng)過包括中國科學(xué)家在內(nèi)的許多科學(xué)家的努力，已于 2020年 6月完成人類基因組計劃的工作草圖，計劃在 2020年底前完成全部人類基因組序列的測定 實施人類基因