1、物理與起源,李弘謙中央大學物理系暨生命科學系(Google: HC Lee),2005 11月25日 台大應力所,愛因斯坦 （1879-1955）,1879 誕生於瑞士1900 15歲退學，18歲進蘇瑞士聯邦技術學院。 1900年畢業，成積平平。失業兩年之後找到專利審查 員的工作。1905 神奇的一年。發表三篇偉 大的科學鉅作：光電效應；發現光子，催生量子力學布朗運動；建立微觀熱力學創相對論；給時空全新的詮釋1911 蘇瑞士大學助理教授，1912回蘇瑞士聯邦技術學院任正教授，1915往首都柏林1915 創廣義相對論；給予物質和萬有引力之間的關係一個全新、正確的瞭解,“Subtle is the
2、 Lord, but malicious He is not”主是誨澀的，但是牠並無惡意。 - Einstein,1914-1918 一次大戰期間極力反戰。1919 星光受太陽的引力影響而折射的預測被實驗證實，愛因斯坦一夕之間全球知名。1920之後 周遊列國。全力研究統一場論，終究沒有成功。終生不相信量子力學。1933 希特勒取得政權，愛氏離德往美1939 鼓勵美國羅斯福總統發展原子彈 以低制德國。但戰後反核武。1955 在普林斯頓家中逝世。,什麼是物理？,目標：瞭解宇宙萬物自然現象方法：觀察、分析自然現象，再用數學和基本的邏 輯推理導出能解釋這些自然現象的最簡單的、普適 的基本定理 物理研究
3、的自然現象的特性 新的、基礎的、可以簡化的 如：宇宙起源、時空性質、物質結構、運動法則 什麼不是純物理？ 主要由人為因素決定，如社會、經濟、政治 複雜度很高又不易簡化，如生物、醫學 基本定理的例行應用，如工程（可以很複雜） 從物理長出來的新專業，如化學,牛頓最早教我們怎麼瞭解自然,ISAAC NEWTON (1642-1727),自然的數學定律(1686),物理學不受時空限制,物理學涵蓋的實物非常廣泛最新的 奈米材料、永續能源最老的 宇宙起源、生命起源最快的 資訊傳遞、粒子遽變最慢的 宇宙演化、生命演化最大的 宇宙探詢最小的 基本粒子、分子生物最熱的 星球燃燒、激光（百萬度以上）最冷的 超導現
4、象、波塞-愛因斯坦現象 （百萬分之一度以下）,物件的大小是相對的,(公尺)1026 類星體1021銀河1016星雲1013 太陽系109 太陽107 地球103 小鎮100 人10-2眼珠10-5紅血球10-7病毒10-10原子10-14質子,宇宙、起源,二十世紀初之前宇宙被認為是靜態的宇宙動態觀的大突破來自愛因斯坦的E = mc2,愛因斯坦為大霹靂理論播了種子,大霹靂,G LeMaitre (1894-1966) Big Bang Theory 1927,這種研究要很多數據，也要做很多計算,很多重要的科學成就是許多科學家齊心協力合作的結果,現況地球約於38億年前開始有生命太陽系約50億年前形
5、成大霹靂約137億年前發生大霹靂10-30秒之後的歷史大致瞭解,生命、起源、演化,十九世紀中葉以前物種之間的關係是靜態的只有宗教觀、沒有科學觀達爾文：物種演化薛定格：生命科學有數碼基礎克立克與華生：生物的基礎是分子,達爾文把生命起源帶入科學範疇,物種的特徵：同質、極多樣、無所不有達爾文：它們由一個（或一小群）共同祖先經由天擇慢慢演化而來,量子物理創始者薛定格預言數碼化的遺傳機制,生命是什麼？1944,DNA結構的解密是現代生命科學的開端,生命科學原本與數理科學少有重疊,最簡單的現代生物也是超複雜的全自動工廠,在新世紀這個情況有極大的改變,新世紀的生物是整合的高通量科學,生命的起源和演化是未解的
6、大謎,一切證據顯示生物有一個（或一小組）共同祖先。生命如何開始？生命如何演化？,同樣要收集數據資料，用數學物理的方法分析、用理論與模型同數據做反覆驗證觀察、分析、歸納、假設、理論、驗證但是所用的數據、理論與 模型大大不同一個用天文及粒子物理數據， 萬有引力，量子理論一個用基因圖譜和化石，達爾文 進化論（及其推廣）,和宇宙起源與演化一樣，生命的起源與演化也受制於物理定律,沒想到還有這麼多步要走吧？,在生命演化過程愈早期基本物理原理的角色愈重要,基本物理原理的範疇是簡單或被簡單化的系統現代的生命體非常複雜細膩數據、現像可以權宜性的理論瞭解基本的理論不易導出愈早期的生命愈簡單、愈容易用基本物理原理探
7、索基因圖譜是生命密碼，也涵蓋了大部分生命演化的數碼表現,從胚胎到成年，每個物種都會把演化再走一遍,魚 蠑螈 龜 雞 豬 牛 兔 人,不同的物種，胚胎愈早期越相似這暗示基因圖譜裡載了很多演化的痕跡,人類基因圖譜在二十一世紀初完成測序,基因圖譜(Genome)由四種鹼基：A 腺漂呤C 胞嘧啶G 鳥漂呤T 胸腺嘧啶串成的雙螺旋DNA序列組成也就是由ACGT四個字母編的生命密碼手冊每個物種有自己獨特的基因圖譜,基因圖譜是全自動工廠的藍圖,基因圖譜是最微小的超高密度資料庫,每一個生物的每一個細胞裡都有一套那種生物的完整的基因組（圖譜） 。人類的基因組載在23對染色體內。每一個人的演化歷史和生長藍圖都寫在
8、他的基因組上。人類基因組長約1.5米，直徑約10奈米。從全世界60多億人每一個人身上各取一條基因組，能搓成一條1.5米長、約頭髮一般粗的繩子。,不同物種之間的基因圖譜相似性很大,人與人之間的基因圖譜約有千分之一的差別。人與大猩猩之間的基因圖譜約有百分之一、二的差別。貓的基因圖譜搬動一百多次之後和人類的大體相同。果蠅和人類的基因圖譜各約有兩萬個基因，這兩組基因大致重疊。細菌一般有大約三、四千個基因，這些基因絕大多數人類都有。,比較不同物種的基因圖譜能夠找出它們之間的親緣樹,部分脊椎動物親緣樹,比較幾百種物種若干基因所得的生命樹,我們也大體知道演化至今走了多久,真細菌,古細菌,真核生物,從完整基因
9、圖譜探索起源與演化,漫談我們自己最近的一些工作,為什麼生命演化的這麼快？,基因圖譜演化的實質是增加資訊含量資訊是有序的，是無序的相反然而演化事件絕大多數是隨機且不可逆的熱力學第二定律：不可逆的事件使熵增加熵是無序的量化表示熵增加，序就減少，資訊就減少所以隨機的演化不容易導致資訊的增加即：基因圖譜演化的過程看似是逆勢而行,基因圖譜與隨機序列,基因圖譜是A、C、G、T四種化學字母排成的序列因為有資訊，所以有一定的秩序可以視為一（長）篇（看不懂的）文章文章的特性：不同的字出現次數多寡不一把字母打亂，就成隨機（無序）序列、無意義的亂碼隨機亂碼的特性：不同的字出現次數相近,簡單一點的序列：丟銅板,5：5
10、,5：5,4：6,7：3,2：8,統計學知道各種組合出現的機率,如果是隨機的丟，丟的次數愈大（即序列愈長），面、背各半的機會愈大，偏離各半的機會愈小。,序列愈長，機率分佈圖愈窄,對基因圖譜也可做類似分析,基因圖譜很長、細菌的有幾百萬個字母，人類的染色體有幾億個字母。所以字串出現機率分佈圖應該非常窄。,1 tgctgagaaa acatcaagctg tgtttctcct tccccaaag acacttcgca gcccctcttg 61 ggatccagcg cagcgcaagg taagccagat gcctctgctg ttgccctccc tgtgggcctg 121 ctctcctc
11、ac gccggccccc acctgggcca cctgtggcac ctgccaggag gctgagctgc 181 aaaccccaat gaggggcagg tgctcccgga gacctgcttc ccacacgccc atcgttctgc 241 ccccggcttt gagttctccc aggcccctct gtgcacccct ccctagcagg aacatgccgt 301 ctgccccctt gagctttgca aggtctcggt gataatagga aggtctttgc cttgcaggga 361 gaatgagtca tccgtgctcc ctccga
12、gggg gattctggag tccacagtaa ttgcagggct 421 gacactctgc cctgcaccgg gcgccccagc tcctccccac ctccctcctc catccctgtc 481 tccggctatt aagacggggc gctcaggggc ctgtaactgg ggaaggtata cccgccctgc 541 agaggtggac cctgtctgtt ttgatttctg ttccatgtcc aaggcaggac atgaccctgt 601 tttggaatgc tgatttatgg attttccagg ccactgtgcc ccag
13、atacaa ttttctctga 661 cattaagaat acgtagagaa ctaaatgcat tttcttctta aaaaaaaaaa aaaccaaaaa 721 aaaaaaaaaa aaaccaaaaa actgtactta ataagatcca tgcctataag acaaaggaac 781 acctcttgtc atatatgtgg gacctcgggc agcgtgtgaa agtttacttg cagtttgcag 841 taaaatgaca aagctaacac ctggcgtgga caatcttacc tagctatgct ctccaaaatg 90
14、1 tattttttct aatctgggca acaatggtgc catctcggtt cactgcaacc tccgcttccc 961 aggttcaagc gattctccgg cctcagcctc ccaagtagct gggaggacag gcacccgcca1021 tgatgcccgg ttaatttttg tatttttagc agagatgggt tttcgccatg ttggccaggc1081 tggtctcgaa ctcctgacct caggtgatcc gcctgccttg gcctcccaaa gtgctgggat1141 gacaggcgtg agccacc
15、gcg cccagccagg aatctatgca tttgcctttg aatattagcc1201 tccactgccc catcagcaaa aggcaaaaca ggttaccagc ctcccgccac ccctgaagaa1261 taattgtgaa aaaatgtgga attagcaaca tgttggcagg atttttgctg aggttataag1321 ccacttcctt catctgggtc tgagcttttt tgtattcggt cttaccattc gttggttctg1381 tagttcatgt ttcaaaaatg cagcctcaga gactg
16、caagc cgctgagtca aatacaaata1441 gatttttaaa gtgtatttat tttaaacaaa aaataaaatc acacataaga taaaacaaaa1501 cgaaactgac tttatacagt aaaataaacg atgcctgggc acagtggctc acgcctgtca,A stretch of genome fromthe X chromo-some of Homo sapienhttp:/www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/viewer.fcgi?val=2276452&db=Nucleotide&dopt
17、=GenBankThe completegenome has 2,000,000 suchPages,Genomes are BIG,實際分析之後發現不然,全基因圖譜給我們的驚奇,我們分析了所有資料庫裡的全基因圖譜序 列（約300條）之後發現，不論全基因序列有多長（幾十萬至幾億個字母），它們：的字串出現機率分佈圖的寬窄不會隨序列的增長而變窄，卻維持大致不變寬窄與約一千個字母的隨機序列一樣,基因圖譜的主要生長機制是最高度隨機片段複製小型隨機突變大部分的圖便是中性的（不好不壞）天擇對演化影響非常大，但是對的生長只有微調的影響隨機片段複製的生長機制在基因圖譜很短時不及500字母長就已經開始當時應該是
18、生命最早期的RNA世界時代,（許多工作之後的）幾個推論總結,我們的生長模型與絕大部分基因圖譜的大尺度結構現像吻合所有物種的基因都可分類為十幾個同源（有相同的原始備份）家族基因圖譜各處都有片段複製的痕跡基因圖譜的大尺度重組現像基因圖譜的自相似性基因圖譜字串的位置分部的隨機性,基因圖譜是自然界的原始自我抄襲者,拷貝文件、程式是我們累積資訊最有效的方法隨機片段複製是基因圖在無意識主導的情況下自動譜累積資訊最有效的方法或許，今天我們能在這兒談天，是因為我們的共同祖先在30多億年前，像瞎子造錶一般，做了一些複製機（核糖脢），淘汰了那些沒有複製機的異類生命體，走上了以隨機片段複製快速生長和演化的路。,基因
19、圖譜為什麼長得這麼快？也許有部分解答,我們對宇宙和生命演化知道了不少，但是不知道的更多。我們對宇宙和生命的起源點幾乎一無所知。很多人在努力儘量往起源點推進。瞭解來源和歷史，可以幫助我們選擇如何向前邁進。,人類有特別發達的大腦只有人類會想起源的問題只有人類會用數學、邏輯只有人類會體會文學、藝術只有人類會想要瞭解自己只有人類會欣賞自然界其他的物種只有人類知道他們和其他物種共有同一祖先讓我們善用自己的特別幸運也讓我們珍惜我們與其他物種共享的宇宙,人類是很特別、幸運的物種,一起工作的年輕朋友 (2003),謝謝大家！,歡迎到中央大學訪問我的網頁 http:/sansan.ncu.edu.tw/hcle
20、e/或 Google “HC Lee”,時間的長短也是相對的,(秒)1018 140億年前宇宙誕生，40億年前生命開始1015恐龍1.4億年前死亡1011上次冰河期（1萬年前）109 人類一世代106 一個月102 一分鐘100 一秒10-4 人耳可聽到最高音的週期10-8FM波週期10-11可見光週期10-15電子繞氫原子一週時間10-20g-射線週期10-24最短粒子壽命,物件的質量也有很大的差別,宇宙,太陽,地球,人,大腸桿菌,氫原子,人類的二十四種染色體,在需要的時候，細胞裡有微機器把特訂的基因解碼、製造成特訂的蛋白質,有百萬種以上的蛋白質，每個都是一個自然生成的有特定功能的自動微奈米機器,蛋白質是一個自然生成的有特定功能的自動微奈米機器，自然界有百萬種,人類第一染色體基因編碼解讀,二億四千五百萬鹼基長編碼二千六百一十個基因,
