般 费曼物理学讲义（第一卷） 先飞离？等等)，而量子化学则帮助我们根据物理定律来理解所发生的事. 化学的另一个分支是有机化学，它研究与生命体有关的物质.人们曾一度相信与生命 有关的物质是如此神秘，因此不可能用我们的手从无机材料中制造出这种物质.这根本不 对 一它们与无机化学中制成的物质完全一样，只是包括了更复杂的原子排列.很明显，有 机化学与提供有机物质的生物学之间有十分密切的关系，与工业也有密切的联系，而且许多 物理化学和量子化学的定律不仅适用于无机化合物的情况，而且也适用于有机化合物.然 而，有机化学的主要任务并不在于这些方面，而是在于分析、综合那些在生物系统以及在生 命体中所形成的物质.这样就不知不觉地逐步引向了生物化学，然后是生物学本身，或分子 生物学。 s3-3生物学 我们就这样进入了生物学，它研究的是生命体.在生物学发展的早期，生物学家必须进 行单纯的说明性工作 一找出有哪些生物，所以他们要数数跳蚤足上的细毛之类的东西.当 他们以很大的兴趣完成这种工作后，就进而考虑在生命体内部的机制问题，起先自然是从十 分粗略的观点出发的，因为要知道更详细的情况是需要经过一番努力的 在物理学与生物学的早期关系中有过一件很有趣的事，生物学曾经帮助物理学发现了 能量守恒定律，梅耶(Mayer)最先在关于生物吸收和放出的热量问题上证实了这条定律. 假如我们更仔细地观察动物的生物学过程，就会看到许多物理现象：血液的循环、心的 跳动、血压等等，这里还有神经.如果我们踩在一块尖锐的岩石上，就会知道发生了什么事情 这个信息不知怎么地就从我们的脚底传递上来.有趣的是这个信息是怎样传递的.在研究 神经时，生物学家得到了这样的结论：神经是非常精细的小管道，有十分薄而复杂的管壁：细 胞通过这样的管壁吸进离子，所以在外面有正离子，而在里面则有负离子，就象一个电容器 一样。这层薄膜还有一个有趣的性质：如果它在某个地方“放电”，即一些离子能够通过这个 地方，那么该处的电压就减少，它会影响到邻近地方的离子，而这又会影响那里的薄膜，使它 也让离子通过.接着这又要影响更远的薄膜，等等，于是在薄膜中就出现一列“穿透性变动 波，当神经末梢的一端由于碰到尖锐的岩石而受到“刺激”后，这种波就沿着神经传开来.它 有点象一长列垂直放登的多米诺骨牌；如果末端的一个被推倒，邻近的一个也就被它带动， 等等。当然，除非把多米诺牌再重新排好，不然，这时只有一个信息传递过去；类似地，在神 经元里，也有排出子的缓慢过程，使神经又处于准备接收下一个脉冲的状态。这就是为 什么我们会知道正在做什么（或者至少知道我们在哪里）.当然我们可以用电子仪器测出这 种与神经冲动有关的电的效应，因为这里存在着电的作用，十分明显，电效应的物理知识对 理解这个现象很起作用. 相反的效应是从大脑中某个地方沿着神经发生一个信息.这时在神经的末梢会出现什 么情况呢？神经在末梢处分成了细微的小纤维，这些小纤维与肌肉附近的一种称为端板的结 构相连接.由于一些现在还不完全理解的原因，当脉冲信号抵达神经末梢后，射出一小团一小 团称为乙酰胆碱的化学物质（每次约6到10个分子），它们影响了肌肉纤维而使其收缩 这一切多么筒单！什么东西使肌肉会发生收缩呢？肌肉是由极多的彼此紧贴的纤维所组成 的，它含有两种不同的物质：肌球蛋白和肌动球蛋白，但是由乙酰胆碱所引起的那种改变分 子大小的化学反应机制现在还不清楚.这样在肌肉中引起机械运动的基本过程也未为我们
第3章物理学与其他科学的关系 23 所知 生物学的领域是如此广泛，有许多问题我们根本无法叙述，比如视觉是如何产生的（即 光在眼睛里做什么)，听觉是如何产生的，等等。（思维是如何进行的这一个问题将在后面心 理学中讨论.)但是从生物学的观点来说，我们刚才所讨论的这些关于生物学的事情实在并 不是基本的，并且不是生命的根源 一即使我们理解了它们，仍然不能理解生命本身. 举 个例子：研究神经的人感到他们的工作是很重要的，因为无论如何不存在没有神经的动物， 但是没有神经仍然可以有生命。植物既无神经也无肌肉，但是它们照样活动着，照样生存 着.所以我们对于生物学的基本问题必须更仔细地研究一下：如果我们这样做，就会发现所 有的生命体中存在者许多共同的特征。最普遍的特征是它们都由细胞组成，每个细胞内都 有起化学作用的复杂机制。例如，在植物细胞中就存在着接收光线而产生蔗糖的机构，植物 在夜间消耗蔗糖以维持其生存.当动物摄取植物后蔗糖在动物体内就产生了一系列化学反 应，这些反应与植物体内的光合作用（以及在夜间的相反作用）有很密切的关系 在生命系统的细胞里有许多复杂的化学反应，在反应中一种化合物变成另一种化合物， 然后再变成一种化合物.为了对生物化学研究中所付出的巨大的努力有某种印象，我们在 图3-1中总结了到此刻为止所知道的在细胞中出现的反应，这些反应只是所有反应中的很 小一部分，大约只占1%左右。 乙酰辅聪4 合成酶。 乙酸 o. 酸臨 酸脱氢 三羧酸环柠檬酸循环 草所说 co 图3-1克莱布斯循环 这里我们可以看到整整一系列分子，它们在一连串相当小的步骤组成的循环中从一个 变到另一个，这个循环称为克莱布斯(Kr)循环或呼吸循环.如果从分子发生的变化来 说，每一种化合物和每一步反应都是相当简单的，但是一这是生物化学中非常重要的发 现 一这些变化在实验室里比较难以完成。假如我们有一种物质，还有另一种十分类似的 物质，那么前一种物质并不就转变成后一种物质，因为这两种形式通常由一个能量屏障或 “势垒”隔开.考虑这样一个类似的情况：如果我们要把一个物体从一个地方拿到另一个 地方，而这两个地方处在相同的水平高度，但是分别在一座小山的两边，那么我们可以把物 体推过山顶，但是要做到这一点需要一些附加的能量。由于这种原因，大多数化学反应都不
24 费曼物理学讲义（第一老） 会发生，因为有一种所谓的活化能妨得这一反应的进行.为了在一种化合物中增加一个额 外的原子，就要使这个原子掌得足够紧，以便能出现基种質新排列：这样它就结合到那个化 合物上去了.但是如果我们不能给它足够的能量使之靠得足够地近，它就不会越过势垒，只 是上去了一部分路程后又倒退回来.然而，假如我们真的能把分子拿在手中，把其中的原子 推来推去使它出现一个缺口，让新原子进入，然后又使缺口一下子合拢，我们就找到了另 一个办法，即绕过势垒，这不需要额外的能，因此反应就较容易进行 现在，在细胞 里确实存在着一些很大的分子，比起我们对其变化刚描写过的分子要大得多，它们以某种复 杂的方式使较小的分子具有恰当的状态，从而使反应易于发生。这些很大的、复杂的分子称 为酵.（它们起先被叫作酵素，因为原来是在糖发酵时发现的.事实上克莱布斯循环的某些 反应最初就是在发酵中发现的)由于有酶存在，反应就会进行. 酶是由另一种称为蛋白质的物质制成的.酶是非常大而复杂的，每一种酶都不同，并且 都控制者一定的特殊反应。图3-1中每个反应中都写上了酶的名称.（有时同一种酶可以 控制两种反应)我们要强调指出：酶本身并不直接参与反应.它们并没有变化，只是使一个 原子从一个地方跑到另一个地方、干完了这件事后，它又准备对下一个原子做同样的事，犹 如工厂里的机器一样。当然，必须对某种原子进行补充，并且可以处理另一些原子.比如， 以氢为例，有些酶具有特殊的结构单元，能在各种化学反应中运送氢原子.例如有3种或4 种脱氢酶在我们整个循环的各个地方都用到.有趣的是，使一个地方的某些氢原子释放的 机构将取走这些氢原子，并用到其他的地方去。 图3-1的循环中最重要的是GDP转变为GTP(二磷酸鸟骠吟核苷变为三磷酸鸟隳岭核 苷)，因为GTP比GDP含有更多的能量.就象在某些酶中存在着一种运送氢原子的“盒子 一样，在酶中也有特殊的携带能量的“盒子”，三磷酸基就是这样的“盒子”.所以GP比 GDP具有更多的能量，而且如果循环是朝某个方向时，我们就产生具有附加能量的分子，它 可以推动另一个需要能量的循环，比如肌肉的收缩。除非存在着GTP,肌肉就不会收缩.我 们可以拿几根肌肉纤维，把它们浸到水里，加一些GTP,只要这里存在着适当的酶，肌肉纤 维就会收缩，GTP就变为，GDP.所以真实的系统是在GDP-GTP转变中：在晚上就用白天 贮藏起来的GTP使整个循环往另一个方向进行.你们可以看到酶对反应进行的方向并不 介意，因为假如不是如此，就会违反一条物理定律。 物理学对于生物学和其他科学之所以极为重要还在于另一个原因，这与实验技术有关 事实上，如果不是由于实验物理的巨大发展，这些生物化学的循环图今天就不可能知道.其 理由是：分析这种极其复杂的系统的最有效的方法就是要辩认在反应过程中所用到的原子 例如，如果我们能把一些带有“绿色标记”的二氧化碳引到循环中去，然后测且8秒钟后绿色 标记的位登，在10秒钟后再测量一次，等等，我们就能描绘出反应的过程.‘那么“绿色标记 是什么呢？它们就是同位素我们可以回顾一下：原子的化学性质是由电子的数量而不是 原子核的质量所决定的，但是有这种可能，比如在碳中，可能有6个或7个中子与每个碳原 子核都具有的6个质子在一起.这两个原子09与0在化学上是相同的，但它们的重量 不同，在核的性质上也有老别，因而是可以区别的.。利用这些不同重量的同位素，或者甚至 利用放射性同位素，如心就有可能跟踪反应的过程，这是比较灵橄的探查极少量物质的方 现在，让我们回到酶和蛋白质的描述.并不是所有的蛋白质是酶，但是所有的酶都是
第3章物理学与科的关系 20 蛋白质。蛋白质有许乡税，比如说肌肉中的蛋白质、结构蛋白质，它们存在于软骨、头发和皮 肤中，等等，这坠蛋自质本身并不是酶.但是，蛋白质是生命的非常具有代表性的物质：首 先，它们组成了所有的；其次，它们构成了大部分其余的生命的物质.蛋白质具有十分有 趣面简单的结构.它们是一系列，或者说是一链不同的氨基酸.有20种不同的氨基酸，它 们全都能互相组合而形成链，其骨架是C0-NH,等$.蛋白质不是别的，正是这20种氨基 酸形成的备种各样的箧。每一种氨基酸可能起某种特定的作用.比如，有一些氨基酸在一 定的位登上有一个硫原子；当同一蛋白质内有两个疏原子时，它们就形成一个键，也就是 说，它们把链在这两点上连接起来形成一个环，另一种氨基酸有一个额外的氧原子，因而使 它变为酸性物质，再有一种则呈碱性的特征，有些氨基酸在一边悬挂着一个大基团，因此占 有许多空间，有一种称为脯氨酸的氨基酸实际上并不是氨基酸，而是亚氨基酸.这里稍微 有些差别，因为当酣氨酸在链上时，就会出现扭曲.如果我们想制造一种特殊的蛋白质，就 应当按照这样的规则：这里先放一个硫钩：然后加进某种东西来齿据空位：再加入某种东西 以形成镂上的扭曲，这郁，我们将器到一个外观上复杂的链，它们互相钩连在一起，具有某 种复杂的结构：这可能就是所有的酶形成的方式。1960年以来，我们所获得的伟大成就之 一就是终于发现了某些蛋白质的原子的精确空间排列.在这些蛋白质中，一条链上就含有 56个成60个左右的氨基酸链，在两种蛋白质的复杂图样中已经确定了1000个以上的原了 (如果把氢原子计入，那么就很接近于2000个)的位置.第一种阐明结构的蛋白质就是血红 蛋白.这个发现的不足之处是我们从这样的图样中不能看出任何东西；我们不理解它为什 么会具有那样的功能.当然，这是下一步需要解决的问题. 另一个问题是，酶怎么会知道该成为什么？一个红眼蝇会生出一个小的红眼蝇，这样产 生红色素的整个醇组信息必定从一代传到下一代。这是由细胞核中的一种称为DN1(脱氧 按糖核酸的缩写)的物质所完成的，它不是蛋白质.这种关键的物质从一个细胞传到另一个 细胞（例如，精虫细胞主要由DNA组成），并且携带了关于如何形成酶的信息.DNA是 张“蓝图”，那么这张蓝图看来象什么，它又如何起作用？首先，这张蓝图必须能加以复制. 其次，它必须能给蛋白质以指令。说到制，我们可能会认为这种过程象细购的复制.但细 胞只是简单地长大，然后一分为二.那么DNA分子也必须如此吗？它们也是长大以后 分为二吗？每一个原子当然不会长大并一分为二！因此，除非有一种更聪明的办法，否则就 不可能复制出一个分子来。 对DNA这种物质的钻构已经进行了很长时间的研究，首先用化学方法找出它的成分 然后又用X射线法找出它在空间的图象.纷果特到下值得注意的发现：DNA分子是 对彼此缝绕在一起的链.这些链与登白质的链类似，但化学结构上是完全不同的，每条链的 骨架是一列与磷蕊，如图8-2所示.现在我们看出能是怎样容纳指令的，因为如果我们 把这个链从中间劈开，就可以得到一个BAADO…系列，阿每个生命体都可以有一个 不同的系列这样，也许为制造蛋白质所需的特殊指令已以某种方式包括在DNA的特殊 系列里 与链上的每一个糖相结合，并把两条链连接在一起的是一些交叉链对.然面它们并 不都是相同的；总共有四种：腺骠昤、胸腺嘧啶、胞嘧啶及鸟嘌昤.现在让我们称它们为 A、B、C和D.有趣的是，只有一定的配对才能彼此处于相对的位臣，例如A对B,C对 D,当这些对放在二列链上时，它们“彼此对合”，并具有强大的相互作用能.然而C不适
26 费曼物理学讲义（第一卷） 合于A,B也不适合于O:它们的适合配对是4对B,O对D.所以假如有一个是C,另 一个就一定是D,等等.在一条链上无论是什么字母，在 另一条链上则必须有特定的与之配对的字母】 那么，复制又是怎么一回事呢？假设我们把这个整结 OH 一分为二，我们怎么能制造出另一个正好与它一样的链呢？ 如果在细胞的物质中有一种加工部门，产生了磷酸盐、糖 以及没有联在一个链上的A、B、O、D单元，那末唯一 能与我们那个分开的能相连的单元必须是正确的，是 OH BAADC…的补体，即ABBCD,于是，当细胞分裂 时，链亦从中间裂开，一半最终与其中一个细胞在一起，而 另一半则留在另一个细胞内：当它们分离后，每个半链都会 形成一个新的补足的链， 接下来的一个问题是AB、C、D单元的次序究竟怎 接酸 样精确地决定蛋白质中氨基酸的排列？这是今天生物学中 HO OH 没有解决的一个中心问题。然而，初步的线索，或者说一点 餐-c0一-G餐被 信息是：在细胞中存在一种叫做微粒体的小小粒子，现已知 道它就是制造蛋白质的地方但是微粒体并不在细胞核内， 0 而DNA及它的指令却在细胞核内.看来是有某种原因的。 图3-2 然而，现在也知道从DNA分出的小分子，不象携带有全部 信息的大DNA分子那样长，面象它的一个小部分.它叫RNA,但这无关紧要.RNA是 种DNA的拷贝 一个简短的拷贝.RNA不知怎么地携带了关于要制造那种蛋白质信 息，跑到微粒体中，这一点我们已经知道了.当它到达那里后，在微粒体中就合成出蛋白质， 这一点也已经知道了.不过，氨基酸是怎样进入蛋白质的，又是怎样根据RNA上的密码来 排列，等等，这些细节则还不太清楚.我们不知道如何去解这种密码。比方说，假如我们知 道了一排字母ABCCA,我们也无法告诉你要制造的是什么蛋白质. 今天，无疑没有一个学科或领域在这样多的前沿上比生物学取得更大的进展；如果我们 要作出引导着人们在探索生命的努力中不断前进的最有成效的假说，这就是：所有的物质都 是由原子组成的，并且生命体所做的每一件事都可以从原子的摆动和晃动中来喱解】 83-4天文学 在我们对整个世界非常概括的描绘中，现在必须转到天文学上.天文学是一门比物理学 古老的学科.事实上，正是天文学向物理学提出了解释星体运动的如此美妙而又简单的问 题，对于这个问题的理解，就构成了物理学的开端。但是在所有的天文学发现中最值得注 意的是：星体是用同地球上一样的原子组成的”、那么这是怎么知道的呢原子棒放具有确 ”在这里我是讲得多么匆促啊1在这个简短的叙述中，每一句话包合了多么率富的内容1“星体和地球都是用同样的册 子组成的。”我通常挑选跟这一样的小慰目来讲课，署诗人们说，科学使宜显失去 原子组成的球体但事实上根本 有所不 我是署 ,我那小的时扫这回转的天，就能注视这欢乐的天空，并 字由是一烟无边无际的图案 一我也是其中的一部分 也许组成我的身体 的材料正是从菜个已被遗忘的显球上玻射出来的，就象那儿的一个星球正在不断燥发一样。假若我通过帕洛玛