零距離科學:占姆的生命説明書(下)

零距離科學:占姆的生命説明書(下)

我們想讓你知道的是

最新一集的《零距離科學》,正要跟大家一起理解物理學如何解釋複雜多變的生命世界!

文:吳家亮(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

小至微小夸克,大至浩瀚宇宙,皆是物理學指涉的範圍。這門學科,可說是整個物質世界的基礎,描述了從宇宙大爆炸以來發生的大小事情。不過,有人則認為,生命就不能被物理法則所解釋,需要某種神秘力量的驅動。隨著DNA的雙螺旋結構和蛋白質的轉譯機制被破解,生命便少了一份神秘色彩。物理學開始進佔生物學,衍生出生物物理學(Biophysics)、量子生物學(Quantum Biology)等新穎學科。最新一集的《零距離科學》,正要跟大家一起理解物理學如何解釋複雜多變的生命世界!

混沌中的秩序

公元前,古希臘哲學家亞里士多德提出了他的物理體系,奠定了一套井然有序的宇宙觀。牛頓的物理定律強化了這個觀點,讓我們把整個物理世界視為一部巨型的機械,它的每個舉動都可以被科學家準確地以數學預測。

可是,當氣象學家以這個進路預測天氣時,描述空氣流動的數學式卻跟實質觀察有著巨大的落差。原來,我們的世界並不是那麼有條不紊,而是充斥著不能預測的混沌。

大家或許有聽過「蝴蝶效應」,一隻在巴西的蝴蝶拍一下翼也可以導致一個月後在美國出現龍捲風。這就是說,一些極微小的初始條件的變化,也可以在一段時間後給出了截然不同的結果。

不過,這種無法預測的混沌也不是不能以數學式去描述,只是這些數學式都帶有「回饋」(feedback)的元素,算式輸出的結果會不斷成為輸入的一部分,循環不息,這種狀態讓結果不能被預測。

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當帶有回饋元素的數學式稍稍變化,竟然可以得出一些漂亮而有規律的圖案!

有趣的是,當這些數學式稍稍變化,竟然可以得出一些漂亮而有規律的圖案!一位科學家提出了包含回饋元素的曼德博集合(Mandelbrot set):

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當我們不斷放大這個曼德博集合,便會看到另一個曼德博集合,簡直是生生不息。這個概念解釋了很多生物的自相似(Self similarity)的結構,例如是寶塔花菜(Romanesco broccoli)的形狀、樹椏的分支、肺部氣管的結構等等。這些看似複雜而精妙的結構,究竟是造物主的巧思,還是混沌宇宙中的一條數學式的成果?

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Photo credit: Aurelien Guichard CC BY SA 2.0
寶塔花菜的形狀可以被混沌理論所解釋。

被擄劫的能量

物理學不單描述了生物的結構,還能解釋細胞中的化學反應。讓我們先搬出熱力學的兩條定律。第一定律是能量守衡定律:宇宙中的能量是固定的,只可轉換成不同的形式,但不能被消滅。第二定律則指出,宇宙中的熱量有一特定傳輸方向,由熱量高擴散至熱量低的地方;熱量會由集中變得分散,在宇宙中趨向平均分佈。

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熱力學的第二定律指出,熱量有特定的傳輸方向,必然由熱量高擴散至熱量低的地方。

舉一個例,汽油是帶著高能量的物質,當它被燃燒時,液態的汽油變成了氣態,體積膨脹了2000倍!汽車引擎的厲害之處,在於它讓氣體推動了活塞,繼而驅動車輪前進。汽油的部分化學能轉化成有用的動能;當然,燃燒的過程也產生了熱能和聲能,並散失在環境之中。

那熱力學的定律跟生物有甚麼關係?原來它們也能描述細胞中能量轉變的過程。食物中的碳水化合物會被身體轉化為葡萄糖——帶有高能量的生物大分子。葡萄糖在細胞中經過一連串的化學反應,當中部分的化學能轉變成細胞可使用的能量單位(每一葡萄糖能轉化約38顆ADP為ATP);部分則轉變成熱能,讓我們這些恆溫動物保持體溫,並最終在環境中散失。

如是觀之,我們的細胞跟汽車引擎如出一轍,皆能擄劫釋放中的能量。大腸桿菌的遊曳、向日葵朝著陽光生長、我們的一呼一吸,都仗賴著這個地球生命共有的奇妙機制!

穿越隧道的質子

物理學除了解釋到生物能量的來源,還為生物演化的重要機制——DNA突變——提供了可能的解說。這涉及量子力學中量子穿隧效應(Quantum tunnelling)的概念。

在量子世界中,即使粒子的總能量不足以讓它越過一道能量城牆,它可以像精靈般直接穿越,而且穿越的速度甚至比光速更快,從一邊消失便立時從另一邊出現!這簡直就是微觀的《多啦A夢》隨意門呀!

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質子不用越過能量城牆,它可以像精靈般以量子穿隧的方式直接穿越,速度甚至比光速更快。

科學家發現,這種穿越也在我們的DNA出現。DNA有兩條鏈,中間有著特定的鹼基配對:A配T,G配C。配對是透過氫鍵(Hydrogen bond)進行,藉著一粒質子(Proton)互相連結。質子一般大部分時間逗留在其中一邊,但間中會以量子穿隧的方式穿越到另一端,來回往復。

假如在DNA複製的時候,質子碰巧穿越到另外一邊,那便會改變了鹼基的形狀,C便不能如常地對上G,而由形狀更吻合的T對上G。這便造成了DNA突變!

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當質子碰巧穿越到另一邊(綠色G鹼基的右上方),便改變了G鹼基的形狀,使之不能與C鹼基(黃色)配對,反之則讓它與T鹼基(橙色)的形狀更吻合。

DNA突變是生物多樣性的先決條件。現存地球的所有生命,會否就是透過質子的穿隧,從四十億年前的簡單生命體,慢慢累積變異,演化出今天千變萬化的三域十界?

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚10時在港台電視31播映。本集於11月26日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

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責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex


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