ชีวิตคืออะไร? ลักษณะทางกายภาพของเซลล์ที่มีชีวิต
Erwin Schrödinger Cambridge University Press (1944)
ในชีวิตคืออะไร? (พ.ศ. 2487) นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียและผู้ได้รับรางวัลโนเบล เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ ใช้คำถามนั้น (ที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข) เพื่อสร้างกรอบคำถามที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นแต่ก็ยั่วยุเท่าเทียมกัน เขาถามเกี่ยวกับระบบสิ่งมีชีวิตซึ่งดูเหมือนว่าจะขัดแย้งกับกฎฟิสิกส์ที่รู้จัก คำตอบที่เขาเสนอมานั้นดูสมเหตุสมผลในตอนนี้: ชีวิตมีความโดดเด่นด้วย “โค้ดสคริปต์” ที่ชี้นำการจัดระเบียบของเซลล์และการถ่ายทอดทางพันธุกรรม ในขณะที่เห็นได้ชัดว่าทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถระงับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ได้
ความคิดเหล่านี้เป็นแรงบันดาลใจให้สาธารณชนและผู้ทรงคุณวุฒิทางวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่ง แต่กลับทำให้คนอื่นๆ ขุ่นเคือง แม้ว่าองค์ประกอบของพวกมันจะไม่ใช่ของดั้งเดิม แต่สูตรนี้คาดการณ์ได้อย่างยอดเยี่ยมว่า Francis Crick และ James Watson จะค้นพบในปี 1953 ว่าเกลียวคู่ของ DNA เข้ารหัสยีนได้อย่างไร ตามที่คริกเขียนถึงชเรอดิงเงอร์ในปีนั้น เขาและวัตสัน “ได้รับอิทธิพลจากหนังสือเล่มเล็กๆ ของคุณทั้งคู่”
สง่างามและเข้าถึงได้ ชีวิตคืออะไร? เติบโตจากการบรรยายสาธารณะที่ได้รับความนิยมอย่างล้นหลามซึ่งชโรดิงเงอร์มอบให้ที่วิทยาลัยทรินิตีในดับลินในปี 2486 ในส่วนลึกของสงครามโลกครั้งที่สอง เนรเทศจากออสเตรียเมื่อถูกผนวกโดยนาซีเยอรมนี Schrödinger ได้รับเชิญไปยังไอร์แลนด์เพื่อช่วยก่อตั้งสถาบันดับลินเพื่อการศึกษาขั้นสูง (ในเดือนกันยายนนี้ ทรินิตี้จะฉลองวันครบรอบการบรรยายด้วยการประชุมที่ชื่อว่า Schrödinger ที่ 75 – อนาคตของชีววิทยา)
“อะไรที่ทำให้ชีวิตดูเหมือนสามารถหลบเลี่ยงกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ได้”
นับตั้งแต่ทศวรรษที่ 1930 ชีววิทยาได้เปลี่ยนจากวิทยาศาสตร์เชิงพรรณนาเป็นส่วนใหญ่ไปเป็นวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับกลไก ต้องขอบคุณการศึกษาวิจัยโดยนักพันธุศาสตร์ Thomas Hunt Morgan เกี่ยวกับแมลงวันผลไม้ นักวิจัยเริ่มเข้าใจการถ่ายทอดทางพันธุกรรมในแง่ของการถ่ายทอดยีน โดยมองว่าเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่จัดเรียงบนโครโมโซม ยีนที่คาดว่าจะเป็นโปรตีนจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม แม้ในขณะที่ชโรดิงเงอร์กำลังเตรียมการบรรยาย นักจุลชีววิทยา Oswald Avery ก็พบหลักฐานว่าพวกมันเป็นกรดนิวคลีอิก ดังนั้นชีวิตคืออะไร? ตกลงไปในช่วงเวลาที่วุ่นวายสำหรับวิทยาศาสตร์และสังคมการเมือง
ชโรดิงเงอร์ก้าวลงไปในน่านน้ำข้ามวินัยอย่างระมัดระวัง เขาประกาศตัวเองว่าเป็น “นักฟิสิกส์ที่ไร้เดียงสา” โดยไตร่ตรองว่าชีวิตสามารถค้ำจุนตัวเองได้อย่างไรและถ่ายทอดการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมอย่างเสถียรจากรุ่นสู่รุ่น งานของเขาเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในปีพ.ศ. 2476 แต่นั่นแทบไม่มีคุณสมบัติเพียงพอสำหรับการแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับชีววิทยา ซึ่งก่อนหน้านี้ชโรดิงเงอร์เคยแสดงความสนใจเพียงเล็กน้อยนอกเหนือจากการโจมตีทางสรีรวิทยาของการมองเห็น ความไร้เดียงสานั้นเป็นที่มาของจุดแข็งและจุดอ่อนของหนังสือ
ปริศนาในหัวข้อนี้เกิดขึ้นจากการที่นักฟิสิกส์และนักเคมีคิดเกี่ยวกับโลกของโมเลกุลซึ่งควบคุมโดยพฤติกรรมทางสถิติทั้งหมด ในฟิสิกส์โมเลกุลคลาสสิกของ James Clerk Maxwell และ Ludwig Boltzmann การเคลื่อนที่ของอะตอมเป็นการสุ่ม (ดู E. Schrödinger Nature 153, 704–705; 1944) กฎทางกายภาพที่แม่นยำและแข็งแกร่ง เช่น กฎที่เชื่อมโยงอุณหภูมิ ความดัน และปริมาตรของก๊าซ เกิดขึ้นจากพฤติกรรมเฉลี่ยของอะตอมจำนวนนับไม่ถ้วน
ในกรณีนั้น ผลลัพธ์ระดับโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจง – ฟีโนไทป์ ซึ่งเป็นลักษณะที่สืบทอดมาที่สังเกตได้ของสิ่งมีชีวิต – เกิดขึ้นจากการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมส่วนบุคคลในระดับโมเลกุลได้อย่างไร บางทีที่นี่อาจเป็นผีของแมวของชโรดิงเงอร์ซึ่งสร้างขึ้นในปี 2478 ซึ่งชีวิตหรือความตายในระดับมหภาคขึ้นอยู่กับเหตุการณ์ควอนตัมเดียว (นักคณิตศาสตร์ Roger Penrose กล่าวถึงการทดลองทางความคิดว่า “จะไม่แปลกใจเลยหาก Schrödinger มีปัญหานี้เป็นส่วนหนึ่งในใจ” เมื่อเขาเขียน What Is Life?.) การดูลักษณะที่สืบทอดมา (เช่น ขากรรไกรล่างที่ยื่นออกมาทั่วไป) ในบรรดาสมาชิกของราชวงศ์ฮับส์บูร์กของยุโรป) ชโรดิงเงอร์ถามว่าอัลลีลที่รับผิดชอบยังคง “ไม่ถูกรบกวนจากแนวโน้มที่ปั่นป่วนของความร้อนเป็นเวลาหลายศตวรรษได้อย่างไร”
ในที่นี้ เขาอ้างอิงการทดลองโดย Max Delbrück อดีตนักฟิสิกส์ควอนตัมอีกคนหนึ่ง ซึ่งใช้รังสีพลังงานสูงเพื่อกระตุ้นการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรม ทำให้เขาประเมินขนาดของยีนได้ประมาณ 1,000 อะตอม Schrödingerอ้างว่าสิ่งนี้ดูเล็กน้อยเกินไปสำหรับ “กิจกรรมที่ชอบด้วยกฎหมาย” – การสืบทอดที่คงทน – ยังคงอยู่เมื่อเผชิญกับความผันผวนทางสถิติ แต่เขายืนยันว่ากลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายเรื่องนี้ได้ อะตอมในโมเลกุลโดยทั่วไปสามารถจัดเรียงได้หลายรูปแบบ และแต่ละโครงแบบก็มีพลังงานที่เกี่ยวข้องกัน นี่คือวิธีที่ชโรดิงเงอร์มองเห็นอัลลีลของยีนที่แตกต่างกัน แต่โดยทั่วไปแล้ว “การกระโดดควอนตัม” ระหว่างกันนั้นมักถูกขัดขวางโดยสิ่งกีดขวางพลังงานสูง
เขายังเสนอต่อไปว่าโมเลกุลการเข้ารหัสยีนดังกล่าว (เขาเป็นหนึ่งในผู้ที่สงสัยว่าเป็นโปรตีนขนาดใหญ่) มีความหลากหลายที่มีศักยภาพเพียงพอในการกำหนดค่าของพวกมันเพื่อเข้ารหัสข้อมูลจำนวนมหาศาล และความหลากหลายนี้สามารถให้ “สคริปต์โค้ด” ของเซลล์ ” ตำแหน่งของอะตอมแต่ละอันมีความสำคัญ แต่รูปแบบไม่ซ้ำกัน ดังนั้นคำอธิบายของเขาเกี่ยวกับโมเลกุลว่ามีลักษณะเป็นของแข็งที่ไม่ปกติ (aperiodic) มันไม่ใช่
