文：吳家亮（香港中文大學通識教育基礎課程講師）
圖：香港電台
小至微小夸克，零距離科大至浩瀚宇宙，學占皆是生命説明書下物理學指涉的範圍。這門學科，零距離科可說是學占整個物質世界的基礎，描述了從宇宙大爆炸以來發生的生命説明書下大小事情。不過，零距離科有人則認為，學占生命就不能被物理法則所解釋，生命説明書下需要某種神秘力量的零距離科驅動。隨著DNA的學占雙螺旋結構和蛋白質的轉譯機制被破解，生命便少了一份神秘色彩。生命説明書下物理學開始進佔生物學，零距離科衍生出生物物理學（Biophysics）、學占量子生物學（Quantum Biology）等新穎學科。生命説明書下最新一集的《零距離科學》，正要跟大家一起理解物理學如何解釋複雜多變的生命世界！
混沌中的秩序
公元前，古希臘哲學家亞里士多德提出了他的物理體系，奠定了一套井然有序的宇宙觀。牛頓的物理定律強化了這個觀點，讓我們把整個物理世界視為一部巨型的機械，它的每個舉動都可以被科學家準確地以數學預測。
可是，當氣象學家以這個進路預測天氣時，描述空氣流動的數學式卻跟實質觀察有著巨大的落差。原來，我們的世界並不是那麼有條不紊，而是充斥著不能預測的混沌。
大家或許有聽過「蝴蝶效應」，一隻在巴西的蝴蝶拍一下翼也可以導致一個月後在美國出現龍捲風。這就是說，一些極微小的初始條件的變化，也可以在一段時間後給出了截然不同的結果。
不過，這種無法預測的混沌也不是不能以數學式去描述，只是這些數學式都帶有「回饋」（feedback）的元素，算式輸出的結果會不斷成為輸入的一部分，循環不息，這種狀態讓結果不能被預測。
有趣的是，當這些數學式稍稍變化，竟然可以得出一些漂亮而有規律的圖案！一位科學家提出了包含回饋元素的曼德博集合（Mandelbrot set）：
當我們不斷放大這個曼德博集合，便會看到另一個曼德博集合，簡直是生生不息。這個概念解釋了很多生物的自相似（Self similarity）的結構，例如是寶塔花菜（Romanesco broccoli）的形狀、樹椏的分支、肺部氣管的結構等等。這些看似複雜而精妙的結構，究竟是造物主的巧思，還是混沌宇宙中的一條數學式的成果？
Photo credit: Aurelien Guichard CC BY SA 2.0 被擄劫的能量
物理學不單描述了生物的結構，還能解釋細胞中的化學反應。讓我們先搬出熱力學的兩條定律。第一定律是能量守衡定律：宇宙中的能量是固定的，只可轉換成不同的形式，但不能被消滅。第二定律則指出，宇宙中的熱量有一特定傳輸方向，由熱量高擴散至熱量低的地方；熱量會由集中變得分散，在宇宙中趨向平均分佈。
舉一個例，汽油是帶著高能量的物質，當它被燃燒時，液態的汽油變成了氣態，體積膨脹了2000倍！汽車引擎的厲害之處，在於它讓氣體推動了活塞，繼而驅動車輪前進。汽油的部分化學能轉化成有用的動能；當然，燃燒的過程也產生了熱能和聲能，並散失在環境之中。
那熱力學的定律跟生物有甚麼關係？原來它們也能描述細胞中能量轉變的過程。食物中的碳水化合物會被身體轉化為葡萄糖——帶有高能量的生物大分子。葡萄糖在細胞中經過一連串的化學反應，當中部分的化學能轉變成細胞可使用的能量單位（每一葡萄糖能轉化約38顆ADP為ATP）；部分則轉變成熱能，讓我們這些恆溫動物保持體溫，並最終在環境中散失。
如是觀之，我們的細胞跟汽車引擎如出一轍，皆能擄劫釋放中的能量。大腸桿菌的遊曳、向日葵朝著陽光生長、我們的一呼一吸，都仗賴著這個地球生命共有的奇妙機制！
穿越隧道的質子
物理學除了解釋到生物能量的來源，還為生物演化的重要機制——DNA突變——提供了可能的解說。這涉及量子力學中量子穿隧效應（Quantum tunnelling）的概念。
在量子世界中，即使粒子的總能量不足以讓它越過一道能量城牆，它可以像精靈般直接穿越，而且穿越的速度甚至比光速更快，從一邊消失便立時從另一邊出現！這簡直就是微觀的《多啦A夢》隨意門呀！
科學家發現，這種穿越也在我們的DNA出現。DNA有兩條鏈，中間有著特定的鹼基配對：A配T，G配C。配對是透過氫鍵（Hydrogen bond）進行，藉著一粒質子（Proton）互相連結。質子一般大部分時間逗留在其中一邊，但間中會以量子穿隧的方式穿越到另一端，來回往復。
假如在DNA複製的時候，質子碰巧穿越到另外一邊，那便會改變了鹼基的形狀，C便不能如常地對上G，而由形狀更吻合的T對上G。這便造成了DNA突變！
DNA突變是生物多樣性的先決條件。現存地球的所有生命，會否就是透過質子的穿隧，從四十億年前的簡單生命體，慢慢累積變異，演化出今天千變萬化的三域十界？
《零距離科學》（節目網站）集合世界各地有趣的科學紀錄片，網羅與大眾息息相關的科學資訊，啟發觀眾的好奇心和求知慾，節目逢星期五晚10時在港台電視31播映。本集於11月26日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。
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責任編輯：Alvin
核稿編輯：Alex