生命是物理学的必然结果？

 转自：原理（ID：principia1687）

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2013年，一个关于生命起源的新的假说走进了公众的视野，麻省理工学院的生物物理学助理教授 Jeremy England 提出“生命是物理学的必然结果”，瞬时引起巨大的讨论。有人认为这一理论太过贫瘠，也有人认为这足够大胆和勇敢，或许会是一个重大突破。之后，England 致力于用计算机模拟实验以验证自己的想法。近日，他将得到的两项结果分别发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS) 和《物理评论快报》(PRL) 上。

△ MIT生物物理学副教授 Jeremy England。（图片来源：Katherine Talor/Quanta Magazine)

England认为，生命的起源是热力学的必然结果。他推导的方程式表明，在特定条件下，原子团会自然地重组自身，以便消耗更多的能量，从而促进能量的持续耗散和“熵”（或宇宙的无序状态）的增加。这种重组效应被 England 称为“耗散驱动适应性”（Dissipation-driven adaptation），它促进了例如生物等复杂结构的生长。

这一理论虽还未被完全证实，但无疑是开拓性的，它试图从物理的角度为我们解答的是一个重要的大问题：生命从何而来？但 England 的理论并非是要推翻或取代达尔文的进化论，相反，他认为或许从物理学的角度出发，可将达尔文的进化论看做是一个更普遍的现象中的特殊情况。

△ 生命从何而来？（图片来源：Love the wind）

England曾在一个访问中说：“如果用光照射任意一堆随机聚集的原子足够长时间，最终可以得到一株植物，对于这种结果不要觉得太奇怪。”

他认为生物之所以出现，是因为在特定环境下，比如在能量分布紊乱的行星上，物理能使原子重新排列自己以应对混乱的能量流动。而这种原子结构的排列正好组成了“生命”。

这些原子会在外力的帮助下，如太阳的照射，会重新排列成更能有效的吸收和释放能量的结构。更重要的是，这些结构还能自我复制，以便更好地处理这些能量流。按照这个构想，也就是说只要依靠物理学的定律，生命就能在几种最基本的化学物质和太阳的存在下，得以出现并进行复制。

热力学第二定律

这个理论的核心思想是热力学第二定律。我们都知道，热的东西会逐渐变冷，气体在空气中扩散，打碎的鸡蛋永远也不会“破蛋重圆”；简言之，随着时间流逝，能量会趋向于分散或散开。熵就是衡量这种趋势的量度，用来量化系统中粒子之间的能量的分散程度，以及这些粒子在整个空间中的扩散程度。熵增加是个简单的概率问题：比起聚集能量，耗散能量的方式有更多。因此，随着一个系统中的粒子移动并相互作用，它们倾向于采用使能量分散的构造。最终，系统会达到被称为“热力学平衡”的最大熵状态，这时能量在各处都均匀分布。

尽管一个“封闭”的系统的熵必定会随着时间的推移而增加，但在“开放”系统中，系统可以通过增加其周围环境的熵来维持自身的低熵状态，也就是让系统中的原子之间的能量被不均匀的分配。

我们现在就处于有一定秩序的低熵状态，在这种状态下，所有的事物无法在原子层面被重新排列过后仍保持一样，例如生命。1944年，著名的物理学家薛定谔在他的著作《生命是什么？》中提出，这种低熵的维持是生命必须做的事情：例如植物能吸收高能量的阳光，用它积累糖分，再向外辐射能量较低的红外光。在植物通过光合作用维持自身的内部结构的过程中，由于耗散了阳光，使得宇宙的总熵增加了。

我们可以想象往一池水中滴入三种不同颜色的水滴。最初，它们在水中是三个不同颜色的分开的点，慢慢的，颜色开始扩散、混合，直到最终整池水都变成一种颜色。那就是宇宙，在这种情况下，这些短暂存在的不同颜色水滴就如同是生物的生命。

England 在MIT建立了自己的实验室，致力于将统计物理学的知识应用于生物学。他从热力学第二定律中推导了一个广义的定律，适用于具有以下特征的粒子系统：这个系统受很强的外部能量源驱动，如电磁波，并且它还能向外部环境耗散热量。所有的生物体都属于这种系统，也就是文章开头所提到的耗散驱动适应性。

模拟实验

为了验证这一定律，他进行了大量计算机模拟实验。他模拟了含有25种基本化学物质、会产生多种相互作用的“物质汤”。物质汤中的能量源会促进甚至“迫使”这些物质间发生某些化学反应，就好像阳光能促使大气中的臭氧生成，或是化学燃料ATP为细胞活动提供能量一样。

在 PNAS 发表的那篇论文中，他们从随机的初始化学浓度、反应速率、以及“强迫性外力”这三个参数开始，模拟化学反应的演化，直至达到最终的一个稳定状态，或者说一个“定点”。其中“强迫性外力”决定哪些反应能从外力中得到加强以及加强的程度。

通常来说，系统应该会在所含化学物质的浓度、以及正逆两向的化学反应也达到平衡时，进入一种平衡状态。这也符合热力学第二定律告诉我们的，能量总是不断耗散，宇宙一直在熵增。

但在 England 的模拟实验中发现，对于某些初始设定，模拟中的化学反应系统会往截然不同的方向发展：在这些情况下，它们的“定点”远没有达到平衡状态，而是通过从周围环境中尽可能的获取能量，来持续将化学反应循环下去。England 和他的同事认为，这种现象可被视为是系统与其环境之间的“微调”，在这种情况下，系统处于“极端热力学强迫下的罕见状态”。

而生物就是这种在被极端强迫的状态下仍保持稳定状态的存在：当我们需要给细胞内的化学反应供能时，会消耗并降解环境中大量的化学能，同时增加宇宙的熵值。在模拟中，他们并没有将生物学的一些可变量，如细胞的行为、DNA的形成等预编到模拟程序中，而是用这样一个更简单也更抽象的化学系统来模拟这种稳定状态的行为。他们发现这种稳定状态并不需要通过长时间的等待，这意味着在现实世界中这样的“定点”可以很轻易就达到。

在发表于 PRL 的论文中，England 和他的合作者模拟了一个相互作用的粒子系统，并发现系统会通过形成和断开粒子间的链接来增加其能量的吸收，以便更好的与驱动频率产生谐振。England 认为，这一发现比在 PNAS 发表的论文里讨论的化学反应系统的发现要更为基础。

△ 一个被限制在粘性流体中的粒子系统，其中青绿色粒子受振荡力的驱动。随着时间的推移（从上到下），在振荡力的作用下触发了更多的链接形成于粒子之间。（图片来源：Jeremy England et al.）

关键是，England 和他的同事在这个模拟中加入了一种具有挑战性的环境，使得系统需要有特殊的配置才能把可用的能量来源利用起来，正如构成细菌的原子需要有特殊的排列可以形成可以新代谢能量的细菌一样。

England 认为，这种系统具有可以发生循环反应并持续耗散能量的特殊配置就是代表生命本质的形式-功能关系。

讨论

两项模拟实验的结果似乎都对 England 的“耗散驱动适应性”的总体观点提供了支持。他和合作者打算下一步计划是扩展他们的化学反应系统，以观察它是否仍旧可以重复之前的发现。还可以让模拟变得不那么抽象，通过根据早期地球的原始化学环境可能存在过的条件来调整化学物质浓度、反应速率和强迫性外力这些参数。

那么，那个大问题被回答了吗？或许我们需要记住的是，这仍只是一个新生的理论，它在破解生命起源的奥秘的道路上仍处于推测阶段。

许多生物物理学家认为 England 所做出的解释或许能解释一部分生命的故事。但是，England 是否真的找到了生命起源最重要的一步，在一定程度上取决于如何定义生命的本质。而对于这个问题，意见很难达成一致。

England 将生命的本质看作是原子一种能够从环境中获取能量并以热量的形式将获取的能量耗散掉的特殊排列，也就是所谓的具有耗散驱动适应性。他认为生命或许就是这样一种结构组合，他说：“如果我们想象将一个细菌的原子进行随机的重新排列，将它们全部拆开、做标记 、再排列组合，十有八九我们会得到一堆垃圾，因为大部分原子的组合都不会成为具有新陈代谢能力的细菌。”

这是最常导致这个理论受到质疑和反驳的原因之一。具有这种性质的不仅有生物体，例如木星的大红斑就是这样一个具有耗散驱动适应性的系统。因此有人认为，England 研究中的“类生命结构”看起来过于抽象，不能被真正视为“生物”。

生物学家普遍认为，“生命体”的重要标志是具有处理信息的能力。这才真是生物之所以与“大红斑”一类系统不同的重要区别。因此即便这个理论在物理方面的解释已经步入正轨，但生物学家仍需要知道的更多细节，例如它会如何解释“始祖细胞”进化成第一个活细胞，遗传密码是如何产生等一系列问题。

England 完全认同这些质疑，他表示，从目前阶段的发现来看，还不能从生物学角度解释生命起源。不过总的来说，这绝对是一个非常引人注目的假说，它清楚地显示了一种在趋向完全无序过程中出现的有序趋势。如果这被证实是正确的，那么这将成为继达尔文的惊世巨作后对进化论最重大的补充。

编译：二宗主

参考来源：

[1] http://www.iflscience.com/physics/life-inevitable-consequence-physics/page-2/

[2] https://www.quantamagazine.org/a-new-thermodynamics-theory-of-the-origin-of-life-20140122

[3] https://www.quantamagazine.org/first-support-for-a-physics-theory-of-life-20170726/

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