向物理系统提出生物学问题：用器件视角理解涌现性质

生命发生在源自海水的浓缩“林格溶液”中，Lesser Blum 大半生都在研究这种溶液。在我们合作期间，Lesser 和我意识到，生物学中向这些溶液提出的问题，与他熟知物理化学中的提问截然不同。生物学是继承而来的。信息由遗传密码中寥寥数个原子传递。由密码构建的蛋白质中，少数原子即可改变宏观功能。事实上，少数原子常常以如同油门控制车速的同样意义控制着生物学功能。因此，在进化的语境下提出生物学问题才最具成效。一个系统执行什么功能？该系统如何被构建以执行该功能？执行该功能利用了哪些力？执行功能的模块如何连接以构成生命的机器？生理学家已表明，生命很大程度上是器件的嵌套层级结构，一层叠一层，将浓缩溶液中的原子离子与穿过蛋白质的电流联系起来，电流联系到电压信号，电压信号又联系到电流的变化，所有这一切相连构成一个可再生的系统，使得在少数原子控制下，电动作电位能够传播数米。这种器件层级结构使得宏观性质从原子尺度的相互作用中涌现。生物学的结构创造了这些器件。生物学的浓度场与电场为这些器件提供动力，其程度超过其他任何因素。由此产生的生物体得以繁殖。进化选择了繁殖更多的生物体，从而也选择了那些使得宏观控制能从基因与蛋白质的原子结构及其运动中涌现出来的器件。