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大开眼界的跨学科前沿探索之旅

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重新理解生命起源和进化的奇迹

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弥合生物学与物理学之间的巨大鸿沟

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运用全新视角破解生命谜题

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信息引擎、生物电路、量子计算机、癌症基因、表观遗传学、地外生命……聚焦前沿成果，阐释宏大议题，解读生命秩序的隐秘动力，剖析复杂世界的内在逻辑，启迪思想、提升智识，一本不容错过的深度好书！

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★生物物理学点睛之笔——全新的视角，开拓性思考

★对薛定谔《生命是什么》的绝妙回应——融合生物学、物理学、计算科学、认知科学等前沿研究

★《物种起源》+《自私的基因》，达尔文进化论2.0——分子生物学、表观遗传学

★《今日简史》+《十问》，关于未来的“大问题”——科学家对人类命运的前瞻性思考

★生命领域的《规模》——解读复杂世界的简单法则，展现尺度不同带来的巨变

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【内容简介】

生命是什么？

1943年，诺贝尔奖获得者、量子力学的重要奠基人薛定谔提出了这个划时代的问题，他指出：我们需要新物理学来给出答案。

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这本书从这个经典问题出发，结合香农的信息论、达尔文的进化论和诸多领域的前沿研究，将量子力学应用于生物学、计算科学等领域，超越各个学科的界限，用全新视角探究生命的本质。书中提出了一个突破性的观点：生命=物质+信息，分子组构是生命的“硬件”，信息组构则是生命的“软件”。生物体中含有大量高效的微型机器，它们聪明地处理和控制着信息，像变魔术一样从混沌中获得秩序。进化让这张隐形的信息网络不断升级。

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保罗·戴维斯将生物学、物理学、数学、化学、信息科学、医学和哲学等领域融为一体，引领了极具洞见的全新交叉学科。这种新科学涉及信息引擎、生物电路、癌症基因、量子计算机等众多前沿科学领域，用信息的观点重新解读生命之谜。

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这是一本探索生命起源及内在逻辑的生物物理学普及读物，也是一次让人大开眼界的跨学科前沿探索之旅。

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让智力探险，思想旅行，一起寻找生命秩序的隐秘动力！

前言/III

第1章 生命是什么？ /001

第2章 走近麦克斯韦妖/029

第3章 生命的逻辑/077

第4章 达尔文主义2.0/127

第5章 鬼魅般的量子和生命/169

第6章 生命的起源/197

第7章 机器中的幽灵/221

结语/251

延伸阅读/263

注释/269

索引/281

保罗·戴维斯（Paul Davies）

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著名理论物理学家、宇宙学家和天体生物学家，美国亚利桑那州立大学科学基本概念超越中心主任，“地外智慧生物搜寻”（SETI）计划侦测后任务小组负责人。他曾入选澳大利亚“十位最有创造性的人物”，有一颗小行星以他的名字命名。

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戴维斯是当代最知名的科学作家之一，写过多部畅销科普作品，包括《上帝与新物理学》《宇宙的最后三分钟》《关于时间：爱因斯坦未完成的革命》等。他曾因科学成就及向大众传播科学知识的卓越贡献获得尤里卡奖、英国物理学会开尔文奖和英国皇家学会法拉第奖等。《华盛顿邮报》称他为“大西洋两岸最好的科学作家”。

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信息的量化是从工程师克劳德・香农（ Claude Shannon）在20世纪40年代中期热忱开展的相关工作开始的。香农是一个古怪和不擅长社交的人。他在美国的贝尔实验室工作，主要关注如何将编码信息准确传递出去。当该研究项目启动时，第二次世界大战正在进行中：如果你只能听到嘶嘶的广播声或者噼噼啪啪的电话信号，你要用什么方法才能让语言以尽可能正确的方式传递出去呢？香农开始研究应该如何编码，才能让信息错漏的风险最小化。这一项目在1949年结出了硕果，香农出版了《通信的数学原理》一书。该书的问世非常低调，但历史可以判定，它是科学史上的一个关键性事件，可以径直触达薛定谔的问题“生命是什么”的核心。

香农一开始就对信息做出了数学上的严格定义，他选择的定义引出了不确定性的概念。简单来说就是，当你获取信息时，你正在学习你之前不知道的东西，因此你对那个东西的不确定性降低了。想象抛一枚质地均匀的硬币，它落地后正面朝上和反面朝上的概率各为s0。在它没落地之前，你未看到结果，也就完全不能确定结果是什么。当你看到结果时，不确定性随之降低（在这个例子中，不确定性降至零）。类似这样的二元选择是最简单的情况，并且与计算直接相关，因为计算机就是用二进制编码的方式来处理信息的，只包含1和0两个元素。这些符号的物理实现只需要一种双态系统，比如开关，要么处于打开状态，要么处于关闭状态。简言之，人们采用了香农的方法，二进制数字或比特（bit）成为量化信息的标准方式。顺带说句，一个字节有8个比特。信息处理速度通常用吉赫表示，代表每秒有10亿比特翻转。当你看到抛硬币的结果时，两种概率相等的状态就合并为一种确定的状态，你因此获得了1比特的信息。

不幸的是，兰道尔给这一梦想泼了冷水，他认为计算机处理的信息涉及逻辑上不可逆的操作（就像前文中提到的算术示例那样），当需要为下一次计算重置系统时，就存在着不可避免的散热间题。他计算了删除一比特信息的最小熵值，这个结果如今被称为“兰道尔极限”。我可以告诉好奇的读者，在室温条件下，删除一比特信息会产生3×102焦耳的热量，大约是烧开一壶水所需热能的10°。数值虽不大，但它确立了一个重要的原则。通过阐述逻辑操作与产生热量之间的关系，兰道尔发现了物理学和信息之间的深层次的联系。这种联系不是像西拉德引擎那样的抽象联系，而是在今天的计算机产业中得到理解的非常具体的（即与金钱有关的）联系。

从兰道尔开始，信息不再是一个模糊的神秘量，而是与物质紧密联系在一起。为了总结这一思想上的转变，兰道尔创造了当下非常有名的格言：“信息就是物质的！””他的意思是，所有信息都与物体紧密相关：它不可能自由飘浮在以太中。比如，你电脑中的信息是以某种模式存储在硬盘中的。那些特定的实例（真实的基底）似乎并不重要，这是导致信息的概念让人难以把握的原因。你可以将硬盘中的内起形成电路，所有信息都能以这种方式保留在这一系统中的某个位置上。有了这样的设置，我们就不需要删除任何信息，自然不会产生热，熵也不会增加了。不过，我要强调的是，今天的计算机要实现理论上可行的逆运算，还有很长的路要走。但我们在这里所探讨的是深层次的原则问题，我们没有理由认为理论极限永远无法突破。

只有当基因得到表达（即被开启）时，它们オ会产生影响；也正是在基因控制和管理领域，生物信息学的故事才真正地开始了。这新兴学科被称为表观遗传学，它比孤立的遗传学更丰富也更微妙。越来越多的表观遗传因子被发现，它们驱动着生物信息模式和信息流的构建。如今，达尔文主义的修正和延伸已经开始，我把它称为“达尔文主义2。0”，它开启了一个看待生物信息的力量的全新视角，并引领了进化论的重大修正。

这里最大的问题不是弄清楚哪些蛋白质位于哪些地方，而是厘清作为一个整体的生物系统如何在比单个细胞大得多的尺度上，处理关于大小、形状和拓扑结构的信息。我们需要以一种自上而下的视角聚焦于信息流和为大而复杂的结构的形态编码的机制。然而，到目前为止，这种机制或者传递构建和修复指令的信号的性质，仍是未解之谜。解决方法之一是，想象有某种散布于生物体内的“信息场”，在菜文及其同事向这种信息场施加干扰后，仍能以某种方式为即将再生的“怪物”嵌入大尺度性质的细节，包括它的三维形态。目前对这种信息场的工作机制的解释都还只是猜测。菜文认为，有一种预存的“目标形态”，它指导着各种形态调节信号；而化学、电和机械过程则结合起来，以步调一致的方式存储、解释和执行这种目标形态：

目标形态是一种稳定的模式，系统在受到千扰之后，将发育或再生为该模式。尽管我们还不清楚它的运作机制，但每当重建出恰当大小的结构时，再生过程就会停止，这表明局部的生长与主体的大小及比例是协调的。

既然在短暂的爆发性复制后就会死亡，为什么任何一个“心智正常”的细胞还要参与到多细胞生物的生存中去呢？在伟大的进化生存游戏中，这种做法有可能获得什么优势？生物学领域中，总是存在着权衡。通过加入基因相似的细胞群，一个特定细胞将通过生殖细胞为大多数基因的传播做出贡献。如果作为整体的细胞群拥有单细胞不具备的生存功能，基因遗产的算法就会偏向于群体而非单细胞。当算法看似正确时，个体细胞和生物体之间就会达成协议。单细胞加入“集体项目”并死去，作为回报，生物体会承担起传播细胞的基因的责任。因此，多细胞生物中隐含着作为整体的生物与其细胞成员达成的“契约”，这份契约早在10亿年前的元古代就签订了。

鸟类的眼晴总在接收光子，这也是眼睛的作用所在。可以说，鸟类眼睛中的电子有机会作为微型指南针为它导航，但前提是鸟类知道被弹射的电子正在做什么。受到光线干扰的电子必须以某种方式参与某种化学反应，从而向鸟类大脑发送信号，其内容就是关于它们活动的信息。鸟类的视网膜充满了有机分子，研究人员已经把关注点放在了其中被称为“隐花色素”的蛋白质上。当隐花色素的一个电子被一个光子弹射出去时，它不会断绝与它过去所属分子的所有关系。爱因斯坦所谓的“鬼魅般的超距作用”会在此时出现，并为鸟类服务。尽管被从原子中弹射出去，该电子仍然与留在蛋白质原子中的另一个电子纠缠在一起，但由于两者的磁场环境不同，它们的进动过程就会彼此不协调。这种状态不会持续太长时间，被弹射的电子和剩下的带正电荷的分子（被称为“自由基”）是化学反应的主要目标对象（自由基在细胞内不停地搞破坏，这被视为从糖尿病到癌症的许多疾病的罪魁祸首）。根据鸟类指南针理论，这些特殊的自由基要么互相反应（通过重组），要么与视网膜中的其他分子发生反应，形成神经遭质，向鸟类的大脑发送信号。随着这种鬼魅般的联系的具体细节和两个电子之间的不和谐进动的变化，这种神经传导反应的速率也会有所不同，而且它是地球磁场与隐花色素分子之间夹角的直接函数。所以从理论上讲，鸟类或许真的能够看到映入它视野的磁场。这是多么有用啊！

书籍介绍

大开眼界的跨学科前沿探索之旅

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重新理解生命起源和进化的奇迹

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弥合生物学与物理学之间的巨大鸿沟

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运用全新视角破解生命谜题

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信息引擎、生物电路、量子计算机、癌症基因、表观遗传学、地外生命……聚焦前沿成果，阐释宏大议题，解读生命秩序的隐秘动力，剖析复杂世界的内在逻辑，启迪思想、提升智识，一本不容错过的深度好书！

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★生物物理学点睛之笔——全新的视角，开拓性思考

★对薛定谔《生命是什么》的绝妙回应——融合生物学、物理学、计算科学、认知科学等前沿研究

★《物种起源》+《自私的基因》，达尔文进化论2.0——分子生物学、表观遗传学

★《今日简史》+《十问》，关于未来的“大问题”——科学家对人类命运的前瞻性思考

★生命领域的《规模》——解读复杂世界的简单法则，展现尺度不同带来的巨变

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【内容简介】

生命是什么？

1943年，诺贝尔奖获得者、量子力学的重要奠基人薛定谔提出了这个划时代的问题，他指出：我们需要新物理学来给出答案。

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这本书从这个经典问题出发，结合香农的信息论、达尔文的进化论和诸多领域的前沿研究，将量子力学应用于生物学、计算科学等领域，超越各个学科的界限，用全新视角探究生命的本质。书中提出了一个突破性的观点：生命=物质+信息，分子组构是生命的“硬件”，信息组构则是生命的“软件”。生物体中含有大量高效的微型机器，它们聪明地处理和控制着信息，像变魔术一样从混沌中获得秩序。进化让这张隐形的信息网络不断升级。

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保罗·戴维斯将生物学、物理学、数学、化学、信息科学、医学和哲学等领域融为一体，引领了极具洞见的全新交叉学科。这种新科学涉及信息引擎、生物电路、癌症基因、量子计算机等众多前沿科学领域，用信息的观点重新解读生命之谜。

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这是一本探索生命起源及内在逻辑的生物物理学普及读物，也是一次让人大开眼界的跨学科前沿探索之旅。

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