翁羽翔
“簡單”與“復雜”是人們在分析客觀事物時所歸納出的兩個極端屬性，也是描述客觀事物被人了解及把握難易程度的感觀印象。為此“簡單”與“復雜”既有客觀的一面，也有主觀的一面，因人而異，因事而異。只要人類現代文明進程不被終止，“簡單”與“復雜”將會是一個永恒的話題，爭辯也將永無休止。
總體而言，簡單是對事物的一種高度概括，只有真正捉住了事物的本質，越是簡單平靜的敘述，就越具有攝人心魄、令人永世難忘的魅力。“大道至簡”，惟有得道者方能抵達至簡的窘境，說出至簡的大街，沒有一番復雜的修練和經歷何嘗能悟出事物的本質！古今中外，可謂得大街者又有幾人？
面對戰亂的痛楚，生離死別的感傷，每一個人、每一個家庭都有一個說不盡道不完的故事，但是托爾斯泰居然冷冷地說道：“幸福的家庭都是相像的，不幸的家庭各有各的不幸”，自此任何一部凡俗小說都離不開托翁劃定的圈子。《圣經》則愈發簡單，對未來事物的概括也就用了幾個字“陽光下邊無新事”。中國唐代哲學家、道教的鼻祖老娘企圖闡明萬物運行所遵守的大街，在其《道德經》的開頭便寫道：“道可道，非常道”，在我看來這句話“簡”則簡矣，而“了”則未了。可見要做到簡單而又明了是一件多么難的事。
簡單只是為這些早已經歷了復雜歷練過的人所打算的，只有經歷了復雜，就能感悟簡單的驚艷力；只有在復雜基礎上內蘊下來的簡單，才能有生命力。因而對于其實簡單的事物要追究其復雜的一面，對于復雜的事物當盡量約化出簡單的道理。對于人生也是這么：年青人要豐富其人生和學識，執經拷問；年長者則應濃縮其人生的精髓，宣示后人。而讀書求學，便是一個將書本變厚，之后再將其變薄的過程。
化學是追究物質運動本原的學科，精確的定量描述是化學學科的生命。但是簡約的敘述仍然不失為化學學的重要法則。好在再復雜的問題經化學學家用微分多項式一敘述下來，就變得除了是方式簡單，但是還美得令人窒息：精典熱學中牛頓第二定理可表示為距離對時間的二階微分；電動熱學中麥克斯韋電磁波多項式表示為時間的一階微分，空間的二階微分；量子熱學中的薛定諤多項式為時間的一階微分，空間的二階微分。這種簡約的抒發是在復雜的實驗和理論的基礎上被總結和推論下來的。簡約規律在化學學中獲得巨大的成功，激勵了一些頂尖數學學家開始思索更為復雜的生命現象，希望給出和化學學一樣具有統一性的法則。作為量子熱學奠基人之一的薛定諤更是開風氣之先，開創了把數學學和生物學綜合在一起去思索生命現象本質的新思路。他用原子間物理鍵的作用，解釋生物大分子結構的穩定性；用生物大分子中有關元素的空間排列解釋“遺傳密碼”，并把自己的思想寫進一本名為《生命是哪些》的小圖冊。這種石破天驚的看法直接催生了DNA作為遺傳密碼載體的發覺。
基于數學學的成就，化學學家也飽含了自信。18—19世紀在科學界處于統治地位的拉普拉斯決定論就是一個挺好的反例。決定論覺得宇宙像時鐘那樣運行，某一時刻宇宙的完整信息才能決定它在未來和過去任意時刻的狀態，按照這一論斷，宇宙的事物運動滿足一組微分等式，給定初始條件和邊界條件，就可精確估算未來時刻的運動狀態。也就是說，簡單的微分等式組包含了所有復雜而精確的信息。但是事實上，在萬有引力場中，一個據說簡單的三體運動問題就打破了決定論的幻想，由于到目前為止三體問題在物理上難以精確求解。再如天氣預報，也要求解非線性微分等式組，但是在求解過程中發覺了混沌現象。所謂混沌（Chaos）是指發生在確定性系統中的似乎隨機的不規則運動。一個由確定性理論描述的系統，其行為卻表現為不確定性、不可重復、不可預測，這就是混沌現象。混沌現象最初是由法國氣象學家洛倫茨在20世紀60年代初研究天氣預報中大氣流動問題時碰巧發覺的。混沌現象表現為對初始條件的極端敏感性，即初始條件非常微小的變化經過不斷放大，對其未來狀態會導致非常巨大的差異。洛倫茨用“蝴蝶效應”來生動地比喻這一現象：亞馬遜雨林一只蝴蝶翅膀時常震動，其實兩周后才會導致英國佛羅里達州的一場龍卷風。混沌現象再度打破了拉普拉斯決定論，同時也表明，復雜的事物可以還原為簡單的規律，而從簡單的規律卻未能完全詮釋出復雜事物的全部。這也部份闡明了“簡單”與“復雜”之間的關系。“復雜”盡管令人眩暈，但其從來就是不可缺乏的。
但是對于科學的傳播者而言，大眾對其提出的簡單化原則的要求除了合理也很正當。尤其在科學傳播的時侯，要求我們把復雜的學問做得像作家席慕容所渴望的、功效如硼砂那樣的詩：
“他們說在水底放進
一塊小小的硼砂
能夠沉淀出所有的
殘渣
這么假如
若果在我們的心里
放進一首詩
是不是也可以
沉淀出所有的
明日”
我們可敬的科學家們，當你面對一雙雙飽含盼望而又有些茫然的雙眼的時侯，我忍不住要輕輕地問一聲：“你的硼砂打算好了嗎？”
2014年1月9日，《物理》編輯部組織的Mind活動在化學所M樓的奶茶廳舉辦，第一次主題報告的報告人是上海學院化學大學、北京學院理論生物中心的歐陽頎教授。歐陽老師早年以研究非線性物理反應中的圖靈斑圖以及螺旋波而知名，后來其研究以非線性動力學為核心，以化學為基礎，逐步將研究方向延展到系統生物學、合成生物學、定量生物學，產生了化學與生物學交叉的研究風格。
他報告的題目是“生物定量理論研究對化學學與應用物理的挑戰”。上世紀的數學學家在生物學家面前曾表現出與生俱來的傲慢，比如上世紀60年代一位知名的化學學家在瑞典第35任首相肯尼迪的格言“不要問國家能為你做些哪些，而要問你能為國家做些哪些”的啟發下，更是喊出了“不要問數學學家才能為生物學家做些哪些，而要問生物學家才能為化學學家做些哪些”的標語(引自歐陽頎老師的報告)。歐陽老師作為21世紀從事化學與生物學交叉學科研究的化學學家卻變得豁達有加。不同于上世紀的高手，歐陽老師的開場白就足以表明他的立場：“不要問生物學家才能為化學學家做些哪些，而要問數學學家才能為生物學家做些哪些”。
歐陽老師報告的第一部份介紹了她們在系統生物學方面的研究進展，即用非線性動力學的理論來解釋生物系統。從系統的角度來看生物，生物便是一個整體。而這個整體的核心部份，就是它的生物網路。假如把網路的每一個節點看成一個變量，那就可以構建起一個特別復雜的非線性動力學多項式組。網路本身的結構、非線性動力學多項式的動力學性質以及這個網路的功能，這兩者之間有著十分緊密的關系。她們的工作，就是研究這種關系。其中具有挑戰性的問題是，平均場方式對于研究系統包含大量參與者，是一種非常有效的數學統計和物理手段(如氣溫反映的是分子運動的統計平均速率)，而該方式不適用于個別特殊的復雜生物體系，例如生物中偏離平均場分布而服從冪率分布的系統。因而有必要發展新的物理化學方式。令人印象最深刻的一個反例是細胞自噬過程中的p53蛋白質控制網路。歐陽老師團隊從這一還算不上復雜的蛋白質控制網路中，提取出了30多個對時間為一階求導的聯立動力學等式組以及82個動力學參數，研究表明，上述等式組才能定量描述網路的控制行為。
另一方面的內容是她們近來所做的合成生物學方面的研究。這門學科從工程角度來講，就是創造一個新的東西來為人類服務；從科學角度來講，就是在創造的過程中，進一步了解生物系統。她們在這方面所做的工作是要給一個生物創造它本身沒有的功能，或則把這個生物沒有、而別的生物有的功能轉移給它。巴普洛夫證明了狗有條件反射，而一個大腸弧菌是沒有條件反射的，她們要設計一個網路、一個控制系統，把條件反射遷往大腸球菌起來，讓它有這個功能。
歐陽頎老師的報告導致了與會者的極昌平趣，也引起了熱烈的討論。為了盡量保持討論的原樣，筆者不準備考證其中引用事實的可靠性和精確性，請讀者將下述文字材料當成隨便淺談，而不應將其當做公開報導的事實加以引用(以下錄音由《物理》編輯部整理)。
1.目前生物學的規律還不太清楚，可以從簡單的生物學問題著手，也可以進行復雜的研究，由于要找到規律。歐陽老師報告中所舉體溫的事例挺好，系統中可能有1020個分子，假如你一組一組的做，研究到了1010時，你把規律拼上去，這個推論是錯的，它一定是個愈發基本的規律，比如玻爾茲曼分布等等。在沒有辦法的情況下，作為初步研究，我們從簡單單元往上做，很可能最后得到推論。也可以你們想辦法，找到一個愈加復雜的規律物理學科故事，然而目前還沒有辦法。研究過程中可能會有模糊的階段，做到一定的程度，漸漸就清楚了。六年前，李政道先生對生命科學的剖析是，要解決生命科學的問題，須要所有的學科平等協調的發展。說實話，這是個階段的問題。所謂的階段問題只有幾個，一個是基本粒子，夸克之間的互相作用問題；一個是天體演變問題；還有一個是生物復雜系統問題。生物復雜系統問題可以做一個具體研究課題，由于它的數據好多。生命科學家是解決不了的，物理家也解決不了，化學學家和物理家可以做一些工作。可能須要通過幾六年的努力，才才能得到比較清楚的認識，像我們對熱力學統計數學的概念，那個意義上的理解。有沒有年青人感興趣解決復雜系統問題？投入到這個領域里面去工作，是很有意思的。
2.這么復雜的等式，雖然解了，也沒有哪些意義，等式跟生物的實際情況差得很遠。
3.寫下來三頁紙的等式只是瞧瞧，你可以得到任何你想要的結果，由于有發散的參數，把多項式改成半頁紙，1/4頁紙，參數甚少才有用。
4.多項式還是有價值的，不在于細節的描述，在于理解的過程，其描述的一些現象，你可以用實驗去驗證。我們這個等式做出了預測，早已有一些推論了。由于非線性動力學在局部的剖析中已然成功了，那我們就可以用這種去作預測，這些預測是對的。這個多項式并不是完全沒有意義的，只是我沒有工具去剖析它。實際上這82個參數，80%不用去檢測。生物有一個特點，稱作結構穩定性，就是生物網路搭建的形狀，它的拓撲結構，致使它的大部份參數都是穩定的，所以參數多少不影響多項式本身。這是生物進化過程中生成的。
5.可以構建柔性等式。經過統計估算，可以發覺重要參數和不重要參數，約化一些不重要參數，借助少數等效參數取代冗長的冗余參數。其實統計數字有時侯會出錯，錯誤的統計數字是不能拿來猜想的。
6.我目前在研究城市的人口分布，所以對復雜系統的冪級數比較感興趣。人占多大面積、經濟和人的關系最后統計下來都是復雜系統。化學學家仍然覺得復雜系統都可以分解為一個一個小的東西，一個一個小的東西都可以寫成物理的等式，于是物理多項式就一個加一個，最后可能加到幾萬個。我被普及了蝴蝶效應，南非洲亞馬遜河的一只蝴蝶扇一下翅膀，那邊冒出洪水來了。一個哲學的問題，自然界的一切是不是都是上帝安排的一個個小的等式，一些數理多項式，或則偏微分多項式。這個假定，是不是無形之中牛頓和萊布尼茨給我們灌輸了這個東西，可能有些現象是永遠不能用方程說清楚，而且如今我們仍然都在根據這個辦法在做。寫成的多項式就跟芽菜一樣，就是樂譜，看不下來才能寫出一個貝多芬的音樂來，無法操作無法弄。地質學里面，有一個人花了幾六年，就研究變質巖系統，用多項式寫下來，還得了不少獎。他把原先簡單的問題弄復雜了。科學就是兩個問題，一個是把復雜的問題簡單化，一個是把簡單的問題復雜化。雖然他就是想說明銅礦是分帶性的，原先就是18世紀金礦學說的分帶性。各個學科里都有這樣的人。
7.數學規律有兩種，一種是十分微觀的，動力學確定的，包括精典的牛頓熱學以及量子熱學；還有一種是統計規律，是熱力學與統計數學。據我了解，你可以構想兩個之間可以溝通，1020這樣一個量級粒子的定性估算，后者的確定性的估算會得到前面的結果，這個實際上是做不到的，如今還做不到。所以是可以溝通并且實際上是做不到的。對于生命科學，兩個都須要，更須要的是新的統計規律。須要化學學家和物理家想辦法。確定的規律也是須要的，比如兩個生物分子之間的互相作用，它的信息不是大量的，是少量的。
8.你借助下一層次的知識可以去理解一些上一層面的事物，而且你不要指望還能解決所有碰到的問題。比方說，量子熱學學得好，你就能猜出原子內部大致是哪些結構，但不等于說你就才能推導入元素周期表。
9.可能你們覺得電子學用的最多是晶體管物理學科故事，而且現代電子學最重要的是數字化。只有實現了數字化之后，電子學才得以迅猛發展。對于研究生物學這個龐大的體系，倘若一開始的時侯就把它數字化，舉個事例，用傅里葉變換去分解它的性質，不管是動量空間還是位置空間，傳播它的統計特點，尋求特點量的問題，大約所走的路是不一樣的。
10.集成生物學由最基本的生物體元素組成，但我們對最基本的元素并不了解。另外一方面，有機世界和無機世界是不一樣的。在無機世界，對于同一系統，同樣的輸入到系統以后，還會形成一個確定輸出。但對于一個生物的世界，集成的一個生物體，同樣的輸入不一定是同樣的輸出。如同人對于一件風波的覺得不一樣，像遇見下雨，有人高興，有人不高興。同樣的輸入不一定形成同樣的輸出。生命現象遠比我們企圖借助機械觀點的解釋來得更為復雜。
11.對于電子元件，可以做到雙向性的傳導，信息是雙向的或則單向的。生物學很難做到這一點。下一層一定會對上一層有反饋，都會帶著這個反饋繼續步入旁邊，致使你搭建的東西跟你想像的結果是不一樣的。
12.生物化學學的目標是哪些？
13.現今的紅色能源、生物物質、生物燃料、生物醫藥、生物裝備等，這種都是以生命規律為基礎，設計一個元件，有可預測性。真正做到一定程度的時侯，怎樣控制邪惡的念頭是很大的社會問題。
14.能量、信息，你們都曉得是哪些意思，從數學的角度說，生命究竟是哪些意思？
15.生命是基于遺傳信息、蛋白質為基礎，有活性信息的個體。
16.活性又是哪些意思？
17.歷史上有大化學學家努力企圖去解答這個問題，薛定諤1943年把在蘇黎世的幾個講堂湊在一起出版的一個小圖冊“Whatislife”，薛定諤不是生物學家，這本書有點形而上的思索，而且這個思索影響很大。第一點，它強調生命和無生命的根本區別就是生物體內應當存在個別單元，專門拿來做信息儲存和信息傳遞。到1957年有人由于確認了DNA的雙螺旋而獲得了諾貝爾獎。第二點是說如果生物體內真的存在對信息進行編碼并能遺傳的單元，它應當是哪些樣的結構？水那樣的物體或則無定型態的物質肯定不行，編碼的信息量太小。反過來，嚴格有序的晶體結構肯定也不行，嚴格的周期性也限制了信息編碼。于是薛定諤提出準周期()的概念，這對理解基因組是十分重要的概念。1984年人們在鋁錳合金中發覺了準晶結構，獲得了2011年度的諾貝爾物理獎。這就是化學學家的貢獻，隨意寫一點，被其它學科應用了就獲得諾貝爾獎了。
18.生物是物質化的東西，最終還是要還原到物質控制的層面上，并才能反過來改建生物。這點是基本的信念，我認為應當是這樣的。我們從小學開始就贊揚父愛，有三天見到一篇實驗研究的報導，對我嚴打很大：有兩頭母豬，生過牛崽的奶牛對小牛十分疼愛，另一頭沒有血緣關系的就踢小牛。并且從小牛女兒頭上提取了幾微克的物質，注射到踢小牛的奶牛頭上以后，這頭牛立即表現出父愛來，所以說父愛是可以用物質來評判的，起碼對于牛來講。我認為，好多我們講的生物系統的各類復雜性，最終還是落實到物質上。所以說各類生物感應再復雜，都可歸結于復雜系統的輸入量，只是我們沒有了解它而已。不要反對微分等式，實際上我們不曉得筆記本的內部結構，從來沒有去看設計集成電路有多么復雜，而且我們仍然在用。當他人把如此復雜的東西給我們用的時侯，我們應當去佩服他，而不是繼續把事情弄復雜。把一個復雜的東西簡單化，追求的是效率，把一個簡單的東西弄得復雜化了，是一種文化。地學里面，銅礦的帶型用這個帶那種帶的定性描述，講上去變得沒文化，直至把歐陽頎老師的斑圖理論引入以后，它的文化起碼比原先結實了。
19.另外，我認為時間問題在生命系統中很關鍵。比方說，化學系統時間是可逆的，但在生命系統中是不可逆的。時間對干細胞最有意義，干細胞一旦變為肝細胞后，就回不到干細胞了。倘若我們能把已有的細胞進行馴養，讓它發生逆過程，這么癌癥之類的病都可以治了。所以生命細胞逆轉問題，就是如何把時間倒過來，或則平衡逆過來的問題。
20.不一定是逆轉。廣州有一個女醫生，提出了肝體外循環的概念。對生命來說，有時侯，個別環節會出錯。疾病是可以醫治的，然而醫治疾病的過程中，肝還須要工作的話，就相當于你得病了，單位還讓你去下班，事情就比較麻煩了。這個女醫生做了一個挺好的工作，她在體外構建了一套系統，取代腸道進行體外循環，再去醫治肝，等醫治好了肝以后，再把取代轉氨酶能的東西去除。這是一個十分聰明的做法。這可能有助于理解生命系統，某一個環節出問題的時侯，它會讓整個演進的進程變味了。這個時侯，哪怕是暫時有一東西代替都可以有助于保持原先的演代進程。
21.化學學家可以為生物學家做點哪些？比較典型的就是同步幅射技術的應用，同步幅射光源對于生物學家解蛋白質結構十分重要。聽完報告之后，認為僅僅解出這種生物大分子的結構對生物學家的幫助有限，還須要更多研究結構與功能關系的研究手段。
22.能量可測，如何測我們曉得；信息可測，如何測我們曉得；這個生命如何測？就是說，我要怎么認為我如今是在活著？在薛定諤的文章發表的時侯，還沒有見到這么多復雜的東西，如今這么多復雜的東西，有沒有哪些新的認識？Life這個東西和能量和信息不一樣，我們如何測？
23.現今信息是有能量的，擦除一個字節信息的能量大約在10-21J，特別小。有跟沒有，也就是說人活過還是沒有活過，這個信息在宇宙中是有記錄的。
24.聽完報告，認為做生物的人目標太龐大，一次就想解決十個問題。并且電子工程師的看法很簡單，她們就是想把電流調成0伏，或則5伏。做數學的人把問題分層了，研究基本粒子化學的人就研究原子核內部的問題，我做匯聚態了，我就不想夸克、質子，只考慮原子就行了。
25.將微電子工程和生物體進行類比顯然是不恰當的，由于微電子工程制做的大規模集成電路雖然很復雜，并且其中每一個器件的作用及其集成過程都是清楚的、確定的，也就是構效關系是確定的，所以是可以分層的。對生物體來說，現有認識水平下，不同層之間的構效關系是不明晰的，層與層之間的作用也是不清楚的，因此是不能分層的。
26.實際上生物學家和醫學家也想把問題簡單化，例如說他想做一個基因突變和腫瘤之間的關系，他想分層，并且分不下去，每種基因突變的誘因不同，根本找不到規律，必須從一個系統層次上往下看才行。不是我想把問題復雜化，而是不從復雜的層面看，你看不到東西。
27.生命科學里面有特別根本的問題沒有解決，也不曉得如何解決，但已有一些比較簡單直接的層次，例如直接殺害癌細胞，你們也會做。我們科研的選題有短的也有長的，短的你們還會做，但長的思索常常比較少，所以年青人可以有更長遠的思索。
(Salon是“中關村科學沙龍”系列活動之一，由《物理》編輯部承辦，得到了中國科大學科學傳播局的大力支持。本期沙龍由楊國楨教授主持，出席成員有：曹則賢研究員、陳小龍研究員、傅綏燕院士、高原寧院士、韓秀峰研究員、黃學杰研究員、姬揚研究員、姜曉明研究員、來魯華院士、李明研究員、歐陽頎教授、郄秀書研究員、王赤研究員、武向平教授、吳忠良研究員、翁羽翔研究員、向濤教授、葉大年教授、楊國楨教授、楊元喜教授、朱日祥教授)
