物理學與生物學的基本區別與聯系

百家榜創作者,學者 代表作: 戒癮論,科學達人,優質創作者

物理學與生物學的基本區別

物理世界與生物世界是不同的世界，自然有不同的規律。實際上，物理世界並沒有違抗生物世界定律，生物世界也並沒有違抗物理世界定律。但是，物理系統不被生物定律所預測，生物系統不被物理定律所預測。如果將這兩者隨意混淆，自然會得出荒謬的結論。

生物學是對生命和生物的研究，研究其結構、功能、發生和發展規律的科學，是自然科學的一個基本組成部分。

物理學是對物質和自然規律的研究，以了解物質和宇宙的行為，具體地是對能量和物質以及兩者如何在時間和空間中相互作用的研究的學科，研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律，是許多自然科學的基礎。

物理學和生物學之間的基本區別，我們許多人都知道，下面再說一些更深層次的區別。在某些情況下，物理學無法證明或無法解釋生物學現象，生物學無法證明或無法解釋物理學現象。例如，物理學無法解釋DNA特質的加密或與進化有關的歷史偶然性；物理學和生物學無法描述生命的起源，也無法解釋無機物如何轉變為有機生命。

生物學的進化論與物理學熱力學的第二定律相矛盾，因為自然界不能無序地創造秩序，而進化是一個創造秩序的過程。

這兩門科學的區別還在於模型的描述方式。在物理學中，我們處理最簡單的事情：解釋行星軌道、氫原子等問題，這些模型是完美的。在生物領域，事情變得越來越複雜，現有的理論範圍往往非常有限。在生物學中，問題通常是如此複雜，以至於對於同一事物的不同方面通常擁有完全不同的模型。

為什麼這兩門科學存在這樣的區別，重要原因之一在於不同的邏輯關系。物理學中存在固定的相互作用，這些相互作用是大自然賦予的無法改變的現象。生物系統中的因果關系，從生物分子層面及到以後所出現的每個層次，都具有功能目的性的邏輯性。

什麼是功能目的性的邏輯性？譬如，月球或電子的存在或兩個粒子的碰撞是沒有功能目的性的，岩石和星星沒有目的。月球的存在可能對我們所知的生命起源至關重要，因此可能說月亮的目的是使地球上的生命通過潮汐作用從海洋出現到旱地。但是，月球並沒有意識到這種影響：就月球而言，它是繞地球軌道運行的產物。

這架飛機之所以飛行很好，是因為我們使用了明確的演繹數學邏輯以及我們對流體動力學定律的知識來優化其設計。存在這樣的“因果關系”，如果原因不同，那麼結果將是不同的。例如，如果飛機是航天飛機或民用飛機車，機翼的設計就會有所不同。

我們知道相對論是正確的，所以我們知道原則上可以制造核電站和核彈。因此，可靠的數據（對邏輯推導關系E = mc^2的實驗驗證）將演繹論證與現實世界的可能性聯系起來。

物理學與生物學的基本聯系

那麼，物理學和生物學是完全不相幹的兩門科學嗎？這兩者之間不需要或不存在任何聯系嗎？

無論物理世界也好、生物世界也好，我們是生活在同一個、唯一的世界裏。從根本上，物理學和生物學之間沒有明確區分，只是不同的望遠鏡和顯微鏡。我們對這兩門科學就了解得越多，望得越遠、探得越深，就越了解它們之間的相互聯系。

這兩門科學之所以分離，是基於科學的發展歷史。在學校教育中，學習者首要的是需要學習到這兩門不同的基礎知識。分離這兩門學科，是因為有必要以有意義的方式對優先需要考慮的事項進行分開地學習。

但是在跨出學校以後，在實際的生活工作中，這些區別會再次變得模糊。即使在研究中，例如，在蛋白質晶體學研究中：要了解其過程，需要深入的物理知識，要了解其結構，需要良好的生化知識，必須能夠了解生物學與物理學的聯系才能進行這方面的研究。

物理學和生物學最基本的聯系在於，當將世界仔細劃分下去，比如將生物世界仔細劃分下去，劃分為器官、再到組織、再到細胞，在細胞下還有蛋白質、RNA、基因等，再細分為分子和原子、再到質子和電子等。從這個意義上來講，物理學是生物學的基礎，也成為其他各自然科學學科的研究基礎。

物理學為生物學提供了基礎。沒有空間、物質、能量和時間等，生命有機體將不存在或無法描述。因此物理學將自然定律應用於生物研究。例如物理學有助於解釋蝙蝠如何利用聲波在黑暗中導航，以及機翼如何賦予昆蟲在空中移動的能力。許多花朵以斐波那契式的順序排列其種子或花瓣，以最大程度地暴露於光和營養。反過來，生物學又有助於證明物理定律和理論。費曼指出，生物學幫助物理學提出了能量守恒定律。

物理學與生物學之間聯系的關鍵環節是由生物分子提供的，例如電離子通道，這些使生物邏輯從基礎物理學中體現出來。功能的選擇產生了活細胞。細胞通過從環境中收集能量來遠離熱平衡。它們由數千種不同類型的分子組成，以DNA的形式包含了以生存和繁殖為目的的信息。

目的或功能如何從物理學中體現？在宏觀上，通過適應性神經網絡和在人類和高等動物的生理系統中；在微觀水平上，通過細胞發育的表觀遺傳效應、基因調控網絡以及信號轉導網絡的適應性效應及神經突觸。

神經元通過軸突接收信號，其流向執行求和運算的原子核，然後生成的尖峰序列將軸突流向突觸，進行進一步的求和過程。如果結果高於閾值，則信號會傳遞到其他神經元。樹枝狀和軸突中的電流行為由基礎物理學控制，基於這些力的量子力學相互作用是神經元及其組成部分結構的物理基礎。

物理學邏輯和和生物學邏輯之間雖然存有差異，但使這種差異成為聯系可能的生物分子，將兩者連接起來，最後通過物理過程產生生物活性，演繹因果關系，最後是生物的可塑性將生物特性與物理特性分開。

在我們的大腦中，同時具有物理學邏輯：“如果 …… 那麼 …… 否則 ……”，其基礎是生物學中的生物分子所執行的邏輯運算。這同樣適用於許多其他生物學環境。這些基本邏輯單元，通過特定的神經元連接和權重，以幾乎難以理解的方式，與每個神經元上的數千個突觸輸入結合在一起，從而導致參與學習、記憶和更高水平的認知功能的協調作用。細胞功能所使用的必需的能量是由複雜的代謝調節網絡控制，該網絡根據邏輯運算確定將進行哪些能量交易。人工智能就是將物理學邏輯運用於生物學而人工制造出的、只有人類過去才具有的智能，甚至在許多方面遠遠超過人的智能。