我們所在的宇宙起始於一個大霹靂(Big Bang)。根據天文物理學家的分析，大霹靂的發生距今約137億年，自大霹靂之後宇宙便開始不斷地膨脹，所以我們是生存在一個持續膨脹的宇宙中（圖一）。或許有人會問，大霹靂之前是什麼？這個問題嚴格說來是不存在的。「宇宙起始於大霹靂」這話中的「宇宙」代表的是時間與空間，如今我們所熟悉的時間，在大霹靂之前其實並不存在。

宇宙生成之後不斷地在膨脹，在此過程中，四散的物質逐漸相互吸引形成星雲，而星球也在這些星雲中慢慢地形成。地球大約是在45億年前形成，而生命在地球上出現的時間大約在38-40億年之間。因此討論「生命是什麼？」，是指38-40億年前迄今地球上所有存在過的生命形式。

繁複的生命世界從單細胞的草履蟲到多細胞的人類，呈現出各式各樣、五花八門的生命形式（圖二）。然而在這繽紛多樣的生命世界背後，不同的生命形式是否擁有某些共同的特性？過去這方面的討論多半來自生物學家，當物理學家開始思考生命是什麼的時候，會不會有全然不同的看法？

薛丁格(E. Schrödinger)算是第一個對生命是什麼進行比較全面深刻思考的物理學家。薛丁格是奧地利人，1887年生於維也納，1925年擔任柏林大學教授。1926年他發現了「薛丁格波動方程式」(Schrödinger equation)，這是量子力學最重要的一個突破，和海森堡的「距陣方程式」奠定了近代量子力學的基礎。1933年他與狄拉克(P. Dirac)、包立(W. Pauli)一起得到諾貝爾物理獎。1939年薛丁格接受愛爾蘭總理之邀，到都柏林籌劃建立理論物理研究所。1943年薛丁格發表了一系列演講，主題是What is Life?，副標題是The Physical Aspect of the Living Cell。生命的存在究竟對薛丁格產成什麼樣的困惑？而他又是怎麼回應自己的困惑？

生命系統如何抗拒亂度？

薛丁格提出的第一個疑惑就是：「為什麼所有的生命形式都可以擁有穩定的高度秩序的結構？」他真正的問題是：「高度組織結構的生命系統，如何抗拒系統中一定會持續不斷增加的亂度？」

在回答薛丁格的疑惑前，必須先回到一個基本的問題：為什麼複雜結構的系統對物理學家來說是必然會崩壞的？這裡就要談到物理學中基本的「熱力學第二定律」，其要點是：「有秩序的結構系統是不穩定的，必然會瓦解並趨向最大亂度/熵(entropy)」。既然所有系統都會趨向於最大的亂度，但為什麼擁有複雜而完整結構的生命體沒有明顯崩壞的過程在進行，生命的存在違反了熱力學第二定律嗎？

該怎麼回應薛丁格的疑問：有秩序的生命如何在「會自動崩壞」的物理世界中存在？如果能創造一個物理屏障，將這個秩序結構與外部環境隔離，內在結構就不會立刻崩壞，在這樣的條件下，生命結構應該能夠維持穩定。如果生命需要一層物理屏障來維持結構，那這樣的生命究竟是一個開放還是封閉的系統呢？若生命是一個封閉系統，熱力學第二定律告訴我們，任何一個封閉系統最終都會趨於最大亂度的平衡。因此，生命不可能是一個封閉的系統，它「必須」要能與外部的環境進行能量與物質的交換，讓生命的結構維持動態的穩定。

生命系統的物理屏障是怎麼建立的？細胞是生命最基本的單元，目前所有細胞都有一個由不透水的磷脂質所組成的雙層薄膜包裹在外面，這就是細胞膜。而包裹在內的細胞就像一個複雜的化學工廠。細胞這座工廠最主要的工作，就是讓細胞從食物中萃取出有用的能量和建造內部結構所需要的材料。細胞工廠裡面最重要的組成就是蛋白質，蛋白質是由20種不同的胺基酸，依照特定的排列順序結合形成的一個巨大長鏈分子，這個分子在細胞中會自動進行折疊，形成特定的三度空間結構。在這些三度空間結構中，可以看到分子表面布滿了許多凹槽，這些類似凹洞的構造就可以和食物分子結合，然後進行催化反應，將食物分子切斷，並釋放出有用的能量與材料。

生化學家勒寧格(A. Lehninger)，在他1993年出版的生化教科書裡很精要地回答了薛丁格的問題：「任何一個活著的個體，為了維持其內在秩序與結構，會從環境中取得食物或陽光的能量，並將等值的能量以熱能或亂度的形式釋放到環中。若用一個簡單的細胞作代表，細胞內部有完整而複雜的結構，時時刻刻進行複雜的化學反應。化學反應會把環境中有用的食物吸收到細胞內進行分解，產生有用的能量以及建構內部所需要的材料。同時，細胞會釋放熱到環境中，外在環境的亂度因此而增加。結論是「維持生命的秩序是以增加環境的亂度作為代價！」

生物系統如何複製基因？

薛丁格對生命提出的第二個問題是：「一個生物系統是如何精準複製並代代相傳一組龐大、可遺傳的基因資訊？」在生命繁衍的過程中，一顆結構極度複雜的細胞，會分裂產生一個與它完全相同的後代，顯示生命體中必然預先存在某些特定的資訊，而這些資訊在細胞代代相傳的過程中要被非常準確地複製。這些遺傳資訊到底是什麼？又用了什麼樣的方式，能被精準地一次次複製出來？

薛丁格1943年發表演講時還不知道「基因」是什麼，也不知道遺傳資訊是如何複製的，但他很準確地預測了遺傳資訊的存在形式及可能的複製機制。他說，基因可能是以一種「密碼」(code-script)形式存在的資訊，這些資訊決定了未來生命體生長發育的過程。那麼這些密碼在基因複製的過程中，要如何做到準確而不出一點差錯？薛丁格提出基因可能是一種「不規律的晶體」(aperiodic crystal)。這個想法包含兩個概念，一是晶體在複製的過程中，需要以原來的晶體當作模板(template)複製出下一個完全一樣的晶體。另外，這個晶體必須是「不規律、非週期性的」。平時常見的像食鹽或是白糖的結晶等都有規律的結構，這代表它所能包含的資訊是有限的，只有不規律的晶體才能夠攜帶龐大的資訊。秩序的提高代表資訊的減少，這也是一個重要的觀念。

薛丁格關於遺傳資訊的問題在1953年得到解答。1953年4月，華生(J. Watson)與克里克(F. Crick)在《Nature》發表了一篇只有一頁半，卻是20世紀生命科學領域中最重要的論文：〈核酸的分子結構Molecular Structure of Nucleic Acids〉。該文最後一段寫道：「我們注意到一件事，維持雙股螺旋結構的特定配對，可能是此遺傳物質複製的機制。」也就是說，雙股DNA的任何一條螺旋長鏈都可以當作模板，依據其上ATGC鹼基的特定配對，合成出新的一條DNA長鏈。因為有了模板做對照，DNA長鏈上所攜帶的遺傳資訊，自然在複製的過程中就可以忠實而精準地被保存下來。

一個月後，華生和克里克在《Nature》又發表了〈DNA結構的遺傳意涵Genetical Implication of the Structure of Deoxyribonucleic Acid〉。更清楚說明：「(DNA上)精準排序的鹼基很有可能就是生物體內攜帶遺傳資訊的密碼。」而AT和GC配對的專一性，決定了DNA複製的準確性。同時也可以解釋基因突變或減數分裂時染色體配對的分子機制。不過華生和克里克在GC之間只畫了兩個氫鍵，而非我們現在知道的三個！

如果DNA上的鹼基排序代表生物體所攜帶的遺傳資訊，而這些資訊在細胞中是用來決定蛋白質胺基酸的排序；那ATGC4個遺傳密碼和蛋白質20種胺基酸之間是什麼關係？首先DNA上的遺傳密碼跟蛋白質的胺基酸序列，應該是連續、線性的對應關係。然後是每3個遺傳密碼決定一種胺基酸。3個密碼的概念其實很單純，蛋白質如果用一個遺傳密碼決定一個胺基酸，ATGC只能決定4種胺基酸，兩個密碼的話就能決定16種胺基酸，但還是不夠。3個密碼會有64種排列組合，又太多了一點，因此一定會有一些胺基酸可以用一組以上的遺傳密碼定位，就是所謂的「簡併性」(degeneracy)。

生物體中遺傳密碼的運作，和人工密碼很類似。例如電腦使用0與1兩個數字組成的程式，光看到一長串的0和1，不會知道究竟是什麼意思，要了解電腦長串密碼的意涵，就必須經過一個「解碼」的過程。於是，電腦等機器裡面就會有個專門翻譯密碼的部分，先把這些0和1換成十進位數字、再變成字母或符號，最後才知道整串密碼所代表的意思。DNA上的遺傳密碼也必須經過一個「解碼」的過程，才能知道這段密碼所對應蛋白質的胺基酸排序。這就是分子生物學的中心理論。簡言之，DNA上ATGC鹼基排序的遺傳密碼，必須先經過轉錄變成RNA(核糖核酸)，再經過轉譯變成蛋白質。不過，為什麼遺傳密碼必須經過轉錄成RNA分子，然後才用RNA分子來指揮細胞轉譯出蛋白質呢？

生物體中遺傳密碼的儲存與利用和電腦非常類似。電腦本身是一個硬體，指揮電腦做事的是電腦中的軟體程式，而這個程式資訊是存放在電腦的硬碟中。當電腦開始運作時，真正指揮電腦運作的卻不是存在硬碟中的軟體，而是從硬碟取出，存在電腦記憶體(RAM)中的軟體。硬碟裡的軟體可以進行複製，狀態穩定能長久保存。然而，為什麼電腦「當下」要進行的工作，卻不是由硬碟內的軟體直接指揮，而是必須要把這個軟體從硬碟中抓出來，擺在RAM裡面，再由RAM裡面的軟體來指揮電腦運作呢？理由很簡單，因為電腦不是只做一件事。因此最簡單的作法，就是把「現在」要讓電腦運作的軟體擺到RAM裡面，事情做完之後，RAM裡面的軟體就不再需要，就會被清除。由此可知，儲存在RAM中的軟體程式是暫時性、不穩定的，使用完後就會被清除掉。

同理，細胞中的遺傳程式儲存在DNA分子裡，就像軟體程式儲存在電腦硬碟裡一樣很穩定，但當細胞面臨到環境的變化，就需要做出特定的蛋白質來應變。此時細胞就得決定，要從DNA中轉錄出帶了哪些資訊的RNA，去製造能應對當前需求的蛋白質。因此RNA扮演的角色，就跟電腦中RAM裡的程式一樣，是「暫時」有用、不穩定，用完就會被丟棄的。

在生物世界裡遺傳密碼對應胺基酸的關係是普世一致的。從單細胞的大腸桿菌到多細胞的人類身上，都是利用相同的遺傳密碼來對應特定的胺基酸。因此，我們不僅和猿猴是親戚，連細菌可能都是我們的遠親。1859年達爾文在他的《物種源始》書裡就提出「地球上所有曾經存在過的生命形式，都可能來自一個共同的祖先。」

基因型決定個體的表徵

生命個體所攜帶全部的遺傳資訊稱為基因型(genotype)，而基因型決定了個體最後展現出來的全部表徵，稱為表徵型(phenotype)。但基因型與表徵型之間也不是完全對應的，表徵型同時會受到所處環境的影響。正常細胞的基因型有固定的遺傳密碼序列，當基因發生突變，遺傳密碼的序列產生變異，接著依照這串密碼轉錄出的RNA也會忠實地攜帶同樣變異的資訊，最後指揮細胞製造特定胺基酸序列的蛋白質時，蛋白質上的胺基酸也就出現變異，一個胺基酸的變異就可能造成這個蛋白質在結構和功能上發生巨大改變。

人類的基因體到底儲存了多少遺傳資訊？2001年人類基因體計畫的初稿完成時，就大概有了初步瞭解。2003年人類基因組定序告一段落，讓我們能清楚得知人類體內究竟有多少基因。如果把決定一個蛋白質的那一串DNA稱為一個基因，那人類基因體中大約有2萬個基因，遺傳密碼的總數大概是31億6,400多萬個。

孟子曾說：「人之異於禽獸者幾希？」從人類基因體序列的比較，對此問題可以給出一個有明確科學根據的答案：1.6%。意思就是，若將人類和與我們親緣關係最近的黑猩猩的基因體序列併排比較，兩組遺傳密碼之間的差異大約是1.6%。表示人和黑猩猩有4,800萬個密碼不同。從百分比看起來好像相差很少，但實際數字還是大得嚇人。

現在我們知道每一個人擁有的遺傳資訊都不完全相同，這個差異稱之為「單核苷酸多型性」(SNP)。人與人之間遺傳資訊的差異大概是千分之一，也就是每個人都帶了一套大約300萬個遺傳密碼的多樣性。

遺傳資訊的多樣性決定了人與人的不同。有些差異是外表一看就知道的，像是男女性別及高矮胖瘦等；另外有些差異外表比較難發現，但卻很重要，像是有人吃海鮮會過敏、有人天冷容易感冒等等。這些差異就是每個人身上攜帶不同的遺傳資訊所致，而這些遺傳密碼的多樣性，就像每個人出生時就帶的一組身分證號碼一樣，只是這組號碼有300多萬個字母那麼長。

過去我們會說每個人的體質不同，現在也許能用一個更科學的理由來回應：「因為遺傳資訊的多樣性不同」。我們未來或許可以預見這樣的景象：每個人出生時會得到一張出生證明，上面除了出生日期和出生地外，還會拿到一張表，上面有你在生物學上的身分證號碼，以及該號碼會如何影響你的體質的資訊，同時會告知你在未來一生中可能遇到哪些潛在的危險，以此為依據替你設計一套專屬的生活型態，作為每個人終身依循的準則。對這樣美麗新世界的來臨，我們不禁要問：基因資訊到底是解放了我們？還是讓我們成了它的俘虜？

(作者係陽明大學生命科學系兼任教授)