H你听过关于生物学家，物理学家和数学家的故事吗?他们都坐在咖啡馆里，看着人们从街对面的房子里来来往往。两个人进去，过了一会儿，三个人出来了。物理学家说:“测量不准确。”生物学家说:“它们已经繁殖了。”数学家说:“如果现在正好有一个人进了房子，那房子就又空了。”
滑稽的,不是吗?你可以找到很多这样的笑话——很多让人联想到球形奶牛的概念——但我还没有找到一个能让我发笑的。不过，这并不是它们的用途。它们的目的是向我们展示，这些学科看待世界的方式非常不同，也许是不相容的。
这话有几分道理。例如，许多物理学家会说，生物学家对他们在该领域的努力是多么漠不关心，认为它们是不相干的和错误的。这不仅仅是因为物理学家们被认为做错了事情。通常生物学家的观点是(也许是在建立良好但定义严格的生物物理学学科之外)，物理学在生物学中没有任何位置。
但是这些反对(和笑话)把学术标签和科学标签混为一谈了。正确理解的物理学不是学校和大学院系的一门学科;它是理解世界进程如何发生的一种特定方式。当亚里士多德写他的物理在公元前四世纪，他没有描述学科，而是一种哲学模式：一种思考自然的方式。你可能想象这只是一个古老的用法，但这不是。当物理学家今天发言时（正如他们经常做的）关于问题的“物理”，他们的意思是靠近亚里士多德的意思：既不是裸露的数学形式主义，也不是叙事，而是一种从基本原则推导过程的方式。
这就是为什么有生物学的物理学，就像有化学，地质学和社会的物理一样。但这在专业意义上不一定是“物理学家”谁会发现它。
我20世纪中期，物理学和生物学之间的界限比今天要模糊得多。20世纪分子生物学的几位先驱，包括马克斯·Delbrück、西摩·本泽和弗朗西斯·克里克，都是物理学家。1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA中的基因编码，由此开始了对基因和进化的“信息”观点，这通常要归功于物理学家欧文·Schrödinger 1944年的著作生活是什么？然而，他的一些想法是由生物学家赫尔曼·穆勒的预期。）
20世纪中叶，物理学和生物学的结合受到了许多领先生物学家的欢迎，包括康拉德·哈尔·沃丁顿、j·b·s·霍尔丹和约瑟夫·李约瑟。李约瑟在剑桥大学组织了理论生物学俱乐部。对DNA“数字代码”的理解出现在应用数学家诺伯特·维纳(Norbert Wiener)概述控制论的同时，控制论旨在解释从机器到细胞的复杂系统是如何被反馈过程网络控制和调节的。1955年，物理学家乔治·伽莫夫发表了一篇有先见之明的文章科学美国人被称为“活细胞中的信息传递”，控制论为生物学家雅克·莫诺和弗朗索瓦·雅各布提供了一种语言，帮助他们在20世纪60年代形成早期的基因调控网络理论。
但随后这个“生物学物理学”程序停滞不前。尽管物理学家迁移到生物学相关问题，但仍然存在从基因组数据收集的主流和分子和细胞生物学中的遗传和生化机制的详细研究中的大部分努力。发生了什么？
恩斯特·梅尔（Ernst Mayr）2004年的书中总结了离婚的一些关键原因生物学的独特之处. 迈尔是现代最杰出的进化生物学家之一，仅这一头衔就反映了生命科学中普遍持有的例外论概念。在迈尔看来，生物学太混乱和复杂了，物理学提供的一般理论帮不上什么忙——魔鬼总是在细节中。
在一个领域开发的科学思想可以在另一个领域相关。
梅尔也许是任何生物学家最协调一致的尝试，以便在他的主题周围吸取清晰的纪律界限，巧妙地将其与其他科学领域隔离。在这样做时，他提供了一个努力的愚蠢的最清晰的演示之一。
他指出了物理学区别于生物学的四个基本特征。它是本质主义的(它把世界划分为明确而不变的范畴，例如电子和质子);它是确定性的(这总是必然导致那）;它是减少者（您通过将其降低到其组件来理解系统）;它占据了普遍的自然法律，在生物学中被机会，随机性和历史意外破坏。任何物理学家都会告诉你，物理学的表征是彻底的缺陷，因为对量子理论，混乱和复杂性的传递熟悉会揭示。
但是，当迈尔宣称生物学真正独特的地方在于它与人类的关系时，他的论点变得更有趣了——如果不是更有说服力的话目的:在进化过程中，通过盲目突变和选择巧妙地形成了设计。粒子在它们的随机游动中相互碰撞并不需要做任何东西。但是，基因网络、蛋白质分子和细胞的复杂结构是由生存的需要所塑造的:它们有一种目标。物理学不涉及目标，对吧?纽约城市大学(City University of New York)的马西莫·皮格里奇(Massimo Pigliucci)曾是一名进化生物学家，后来成为哲学家，他最近说:“问一个电子、一个分子、一颗行星或一座山的目的或目标是什么是没有意义的。”1
目的或远程学在生物学中是困难的话语：他们太容易暗示了进化的“盲目钟表制作人”的确定性目标，并为创造主义虐待而借给自己。但是没有逃避曲折谈谈函数在生物学中:它的组成和结构在生物体的生存和基因的繁殖中发挥作用。
这是，物理科学家也不会被这个词吓倒。当诺伯特维纳写了1943年的“行为，目的和远程学”时，他是故意挑衅的。和匈牙利数学物理学家John Von Neumann宣布了“在人类和动物行为中的目标是如何实现的目标，匈牙利数学物理学家John Von Neumann宣布了这一目标。Von Neumann’s abiding interest in replication—an essential ingredient for evolving “biological function”—as a computational process laid the foundations of the theory of cellular automata, which are now widely used to study complex adaptive processes including Darwinian evolution (even Richard Dawkins has used them).
达尔文人适应环境的表观目的。但是，达尔文的随机变异和自然选择完全理解，没有任何吸引力的适应“物理”？
事实上,没有。一方面，这两种因素——复制生物之间的随机遗传突变和来自环境的选择压力——不一定会产生适应、多样性和创新。这如何依赖于复制速率、复制过程的保真度和系统中的随机噪声水平、选择压力的强度、可遗传信息和它们所控制的性状(基因型和表现型)之间的关系，等等?进化生物学家有数学模型来研究这些东西，但如果没有一个通用的框架来联系它们，计算就告诉不了你什么。
一般框架是进化的物理学。它可能会映射出来的，例如，上述变量的阈值值出现了定性新的全局行为：物理学家称之为相图。理论化学家Peter Schuster和他的同事已经发现了遗传复制错误率的阈值，下面包含在复制基因组中的信息保持稳定。换句话说，高于此错误率可能没有可识别的物种：它们的遗传身份“融化”。Schuster的同事诺贝尔劳保人化学家曼弗雷德·特里根认为，这种开关是一种相位过渡，完全类似于融化物理学家更传统研究的那些。
与此同时，进化生物学家安德烈亚斯·瓦格纳(Andreas Wagner)利用计算机模型表明，达尔文进化的创新能力和产生新的质量形式和结构的能力，而不仅仅是一个主题上的微小变化，并不会自动遵循自然选择。相反，它取决于可能性组合空间是否存在一种非常特殊的“形状”，这种形状描述了功能(比如蛋白质的化学效应)如何取决于编码它的信息(比如分子链中的氨基酸序列)。这又是“物理”的基础进化的多样性．
Masticist jeremy英格兰Massachusetts理工学院的杰里米·英格兰认为，适应本身不必依赖达尔文自然选择和遗传遗传，而是可以更深入地嵌入复杂系统的热力学中。2众所周知，健康和适应的概念总是很难确定——它们很容易听起来循环往复。但是英格兰说它们最基本的形式可能被认为是一种特殊系统的能力，通过抑制大的波动和消散能量，来维持不断的能量输出你可能会说，通过一种能力保持冷静，继续前进．
“我们最初的假设是一般的物理假设，它们将我们带入非平衡进化的一般特征，而达尔文的故事成为一个特殊情况，在你的系统中包含自我复制的东西，”英格兰说。“这个概念变成了，热波动的物质会自发地被击打成适合于从外部环境中吸收的形状。”他说，令人兴奋的是，“当我们对我们看到的一些‘适应’结构的起源进行物理解释时，它们不一定有通常生物学意义上的父母。”一些研究人员已经开始认为，英国的思想为达尔文的思想提供了基础物理学。
请注意，生物学现象的“物理学”从何而来确实无从得知——它可能来自化学家和生物学家，也可能来自“物理学家”。从学科的角度来看，把这些基本思想和理论称为问题的物理，这一点也不沙文主义。我们只需要把这个词从它的部门定义中拯救出来，以及随之而来的学术地盘之争。
Y你可以把这些对物理学中更为熟悉的思想的生物学的入侵看作是科学思想在一个领域发展到另一个领域的方式的又一个例子。
但问题远不止于此，将其表述为学科间的交叉对话（或边界突袭）并不能抓住全部真相。我们需要超越迈尔划定和捍卫边界的企图。
物理学家们常常称赞同行们发现“问题的物理”的能力，这种习惯听起来可能有些奇怪。物理学家除了思考“问题的物理学”还能做什么呢?但这里存在一个误解。这里所阐述的是一种超越数学描述或这种或那种互动的细节的能力，并计算出所涉及的潜在概念——通常是非常普遍的概念，可以用非数学的，甚至是口语的语言简明地表达出来。从这个意义上说，物理学不是一套固定的程序，也不是针对某一类特定的主题。这是一个思考世界的方式:一个组织因果关系的计划。
我们还不知道生物学物理学将由什么组成。但没有它，我们无法理解生命。
这种想法可以来自任何科学家，不管他或她的学术标签是什么。Jacob和Monod发现反馈过程是基因调控的关键，因此与控制论和控制理论建立了联系。这就是发展生物学家汉斯·迈恩哈特（Hans Meinhardt）在20世纪70年代所做的，当时他和他的同事阿尔弗雷德·吉勒（Alfred Gierer）解开了图灵结构的物理学。这些都是自发的模式，出现在一个扩散化学物质的数学模型中，该模型由数学家艾伦·图灵于1952年设计，用于解释胚胎中形式和秩序的产生。Meinhardt和Gierer确定了图灵数学背后的物理基础：自我生成的“活化剂”化学物质和抑制其行为的成分之间的相互作用。
一旦我们超越了物理系的定义，围绕其他学科的墙壁就会变得更加多孔，产生积极的效果。迈尔认为，生物动因是由目标驱动的，而非无生命的物体。这一观点与生物信息的粗略解释密切相关，这种解释源于一切都始于DNA的观点。正如迈尔所说，“在生物世界中，没有一种现象或一种过程不是由包含在基因组中的遗传程序控制的。”
这种有时被称为“DNA沙文主义”的现象导致了梅尔错误地将其归因于物理学的还原论和决定论，而生物学的物理学正在破坏这种还原论和决定论。因为即使我们认识到（我们必须认识到）DNA和基因确实是生命进化和生存细节的核心，也需要一个更广阔的图景，让维持生命的信息不仅仅来自DNA数据库。这里的一个关键问题是因果关系：信息流向何方？现在，量化这些因果关系问题成为可能，这揭示了普遍自下而上观点的不足。
威斯康星大学麦迪逊分校的神经学家朱利奥·托诺尼和他的同事们设计了一个复杂系统的通用模型，该系统由相互作用的部件组成，比如神经元或基因。他们发现，有时系统的行为不是由自下而上的方式引起的，而是由更高层次的组织组成。3.
这张照片在最近的酵母基因网络信息流分析中得到了证实，该分析由位于坦佩的亚利桑那州立大学的莎拉·沃克、保罗·戴维斯和同事们完成。4该研究表明，在这种情况下，实际上可以参与“向下”的因果关系。1戴维斯和同事认为，自上而下的因果可能是生命物理学的一般特征，并且它可能在进化中的一些重大班次中发挥了关键作用，5如遗传密码的外观，复杂分区细胞（真核生物）的演变，多细胞生物的发育，甚至是生命本身的起源。6他们说，在这些关键点上，信息流可能已经改变了方向，从而使组织高层的过程影响和改变了低层的过程，而不是一切都由基因层面的突变“驱动”。
这项工作以及Wagner、Schuster和Eigen的工作表明，只有在我们更好地掌握了信息本身的物理学之后，才能完全理解DNA和遗传网络与生物体的维持和进化之间的联系。7
一个恰当的例子是观察到，生物系统的运行常常接近物理学家所说的临界相变或临界点:一种处于两种组织模式(一种是有序的，另一种是无序的)之间切换的边缘状态。临界点在磁性、液体混合物和超流体等物理系统中是众所周知的。普林斯顿大学研究生物学问题的物理学家William Bialek和他在巴黎École normal Supérieure的同事Thierry Mora在2010年提出，从鸟群到大脑中的神经网络和蛋白质中氨基酸序列的组织，各种各样的生物系统，也可能接近临界状态。8
Bialek和Mora说，在接近临界点的情况下，系统会经历大的波动，使其能够接触到各种不同的组件配置。莫拉表示，因此，“保持批判性可能会赋予我们必要的灵活性，以应对复杂和不可预测的环境。”更重要的是，一种接近临界状态对环境的扰动非常敏感，这会在整个系统中产生涟漪效应。这可以帮助生物系统非常迅速地适应变化:比如，一群鸟或一群鱼可以对捕食者的接近做出非常迅速的反应。
关键性还可以提供信息收集机制。意大利帕多瓦大学的物理学amos Maritan表明，“认知剂”的集合中的临界状态可能是个体生物，或神经元，例如 - 允许系统“感知”发生什么around it: to encode a kind of ‘internal map’ of its environment and circumstances, rather like a river network encoding a map of the surrounding topography.9Maritan说:“在关键时刻保持平衡为系统提供了最佳的灵活性和进化优势，以应对和适应高度可变和复杂的环境。”越来越多的证据表明，大脑、基因网络和动物群确实是这样组织的。危机可能无处不在。
E像这些这样的Xamples让我们信心生物学确实有物理到它。Bialek没有耐心，普通的避免生物学太乱了 - 正如他所说的那样，“可能会有一些不可挽回的邋，我们永远不会搂着我们。”10.他相信，可以有“生物系统的理论物理，达到了已成为物理领域的标准的预测力量。”没有它，生物学风险只是轶事和应变。我们可以相当肯定的是，生物学不是那样的事情，因为它会简单不如果是的话。
我们还不知道生物学物理学将由什么组成。但没有它，我们无法理解生命。它肯定会对基因网络如何在不断变化的环境中产生健壮性和适应性提出一些看法——例如，一个有缺陷的基因不一定是致命的，以及为什么细胞可以在不改变基因组的情况下以稳定、可靠的方式改变它们的特性。它应该揭示为什么进化本身既是可能的又是创造性的。
说物理知识没有边界不一样，所以物理学家可以解决一切。他们也被训练在一个纪律的内部，并且在走出外面时，他们就像我们中的任何人一样倾向于打击。这个问题不是谁“拥有”科学的特殊问题，而是制定有用的工具，以考虑事情的工作 - 这是亚里士多德试图在两千年前做的事情。物理不是物理系中发生的事情。世界真的不关心标签，如果我们想了解它，那么我们也不应该。
菲利普球是作者无形：无形的危险诱惑和许多科学和艺术书籍。
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