31歲的MIT物理學(xué)家Jeremy England認為自己已經(jīng)發(fā)現了推動(dòng)生命起源和進(jìn)化的潛在物理機理。
（圖片來(lái)源：Katherine Taylor）
生命為什么存在？生命是如何產(chǎn)生的？
流行的假說(shuō)把它歸功于一鍋原始的混沌湯、一道閃電和一股巨大的運氣。但是，如果我們能證明一個(gè)富有挑戰的、新的物理理論是正確的，那生命的產(chǎn)生就絕不可能是靠運氣。根據這位物理學(xué)家提出的新思想，生命的起源和進(jìn)化遵從自然界的基本定律，就像石頭必定滾下山坡一樣毫不令人驚訝。
從物理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，有生命的東西和無(wú)生命的碳原子團塊之間有一個(gè)本質(zhì)的區別：前者往往更能夠從環(huán)境中獲取能量并以熱量的形式將獲取的能量耗散掉。(也就是說(shuō)從環(huán)境中獲取沒(méi)有混亂度的純能量，然后再把帶有很多混亂度的能量，也就是熱量，返還給環(huán)境，使自身混亂度降低，環(huán)境混亂度增加。生命就是一個(gè)通過(guò)能量傳輸，以增加環(huán)境混亂度為代價(jià)，而試圖降低自己混亂度的過(guò)程)。31歲的麻省理工學(xué)院助理教授JeremyEngland推導出了一個(gè)數學(xué)公式，他認為這個(gè)公式可以解釋這種能力。這個(gè)基于現有物理知識的公式表明，當一組原子被一種外部能量（如太陽(yáng)或化學(xué)燃料）所驅動(dòng)，并被一個(gè)熱?。ㄈ绾Ｑ蠡虼髿猓┧鼑鷷r(shí)，它將經(jīng)常逐漸重組自身以便耗散更多的能量。(也就是說(shuō)通過(guò)傳輸能量，盡量多的增加環(huán)境的混亂度。而能達到這一目的的自身結構，就可能對應于生命結構。)這也就意味著(zhù)在某些條件下，物質(zhì)不可阻擋地獲取與生命相關(guān)的關(guān)鍵物理屬性。
——文小剛
翻譯 雨遇
校譯 楊璐
生命為什么存在？
流行的假說(shuō)把它歸功于一鍋原始的混沌湯，一道閃電和一股巨大的運氣。但是，如果我們能證明最近出現的一個(gè)富有挑戰的、新的物理理論是正確的，那生命的產(chǎn)生就絕不可能是靠運氣。根據這位物理學(xué)家提出的新思想，生命的起源和進(jìn)化遵從自然界的基本定律，就像石頭必定滾下山坡一樣毫不令人驚訝。
從物理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，有生命的東西和無(wú)生命的碳原子團塊之間有一個(gè)本質(zhì)的區別：前者往往更能夠從環(huán)境中獲取能量并以熱量的形式將獲取的能量消耗掉。31歲的麻省理工學(xué)院助理教授Jeremy England最近（編注：原文發(fā)表于2014年1月）推導出一個(gè)數學(xué)公式，他認為這個(gè)公式可以解釋這種能力。這個(gè)基于現有物理知識的公式表明，當一組原子被一種外部能量（如太陽(yáng)或化學(xué)燃料）所驅動(dòng)，并被一個(gè)熱?。ㄈ绾Ｑ蠡虼髿猓┧鼑鷷r(shí)，它將經(jīng)常逐漸重組自身以便消散更多的能量。這也就意味著(zhù)在某些條件下，物質(zhì)不可阻擋地獲取與生命相關(guān)的關(guān)鍵物理屬性。
“從任意一堆隨機原子出發(fā)，如果你用光照射它的時(shí)間足夠長(cháng)，最終可以得到一株植物，對于這樣的結果你不應該感到太奇怪?！盓ngland說(shuō)。
以自然選擇為基礎的達爾文的進(jìn)化論，在基因和群體水平上對生命起源和進(jìn)化進(jìn)行了詳盡的描述，England的理論對于達爾文進(jìn)化論來(lái)說(shuō)意味著(zhù)支持，而不是取代?！拔铱隙ú皇钦f(shuō)達爾文理論是錯誤的?！彼忉尩?，“正相反，我想說(shuō)的是從物理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)看，你可以說(shuō)達爾文進(jìn)化論是一個(gè)較為普遍的現象中的一個(gè)特例?！?/p>
他的這個(gè)思想在近來(lái)發(fā)表的一篇論文中有詳細表述，并在他巡游世界各地多所大學(xué)的演講中有更為詳盡的闡述。這個(gè)思想已經(jīng)在他的同事們之間引發(fā)了不少爭議，有人覺(jué)得他的想法空洞無(wú)力，有人覺(jué)得這是一個(gè)潛在突破，還有人覺(jué)得兩者兼而有之。
紐約大學(xué)的物理學(xué)教授A(yíng)lexander Grosberg很早就一直跟蹤England 的工作，他評價(jià)說(shuō)，England已經(jīng)邁出了“非常勇敢而重要的一步”。Grosberg說(shuō)，這個(gè)“巨大的希望”指的是England已經(jīng)發(fā)現了驅動(dòng)生命起源和進(jìn)化的物理機制。
美國國立衛生研究院（National Institutes of Health）化學(xué)物理實(shí)驗室的生物物理學(xué)家Attila Szabo，在一次會(huì )議上遇到England后，與其通信討論他的理論。Szabo對England的理論評價(jià)說(shuō)：“Jeremy幾乎是我見(jiàn)過(guò)的最優(yōu)秀的青年科學(xué)家，我完全被他的原創(chuàng )性思想迷住了?！?/p>
不過(guò)其他人，比如哈佛大學(xué)的化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)和生物物理學(xué)教授Eugene Shakhnovich，對此并不信服。他說(shuō)：“Jeremy的想法確實(shí)有趣且富有潛力，但在這一點(diǎn)上也是非常投機的，尤其是把它運用到解釋生命現象時(shí)?！?/p>
總體來(lái)說(shuō)，England的理論成果可以認為是有效的。只是他的闡釋部分——即他的公式代表著(zhù)自然界中包括生命現象在內的某一類(lèi)現象背后的驅動(dòng)力——還沒(méi)有被證明。不過(guò)，已經(jīng)有一些人在思考如何在實(shí)驗室里檢驗這個(gè)闡釋。
哈佛大學(xué)的物理學(xué)教授Mara Prentiss在了解了England的工作后，正考慮在實(shí)驗上證明它。她說(shuō)：“England在嘗試一些完全不同的東西。作為一個(gè)多面手，我覺(jué)得他有著(zhù)奇妙的想法。無(wú)論是對是錯，它都非常值得研究?！?/p>
England的思想的中心要點(diǎn)是熱力學(xué)第二定律，又稱(chēng)熵增加理論或“時(shí)間之箭”。熱的東西變冷，氣體在空氣中擴散，打碎的雞蛋會(huì )攤開(kāi)但永遠不會(huì )自己收攏；總之，隨著(zhù)時(shí)間的推移，能量趨向于分散或散開(kāi)。熵正是這種傾向的量度，用以量化一個(gè)系統中粒子之間的能量如何驅散，以及在整個(gè)空間中這些粒子如何擴散。熵增加是一個(gè)簡(jiǎn)單的概率問(wèn)題：與使能量聚集的方式相比，有更多的方式使能量耗散出去。這樣，當一個(gè)系統中的粒子運動(dòng)并相互作用時(shí)，通過(guò)概率，它們趨向于采用使能量分散的組織形態(tài)。最終，系統達到一個(gè)最大熵態(tài)，我們稱(chēng)之為“熱力學(xué)平衡”（thermodynamic equilibrium），這時(shí)能量均勻分布。比如，一杯熱咖啡最終會(huì )與它所處的房間達到同一溫度。如果你不進(jìn)行其他干涉，逆過(guò)程是不可能發(fā)生的?？Х扔肋h不會(huì )自發(fā)地再次變熱，因為熱能已經(jīng)任意地擴散到房間里所有的原子上。把這些能量從房間的每個(gè)原子收集回來(lái)并集中到杯子里的原子上，可能性太低了。
盡管在一個(gè)隔離或封閉的系統中，熵一定是隨時(shí)間增加的，但一個(gè)開(kāi)放的系統通過(guò)大大增加它周?chē)h(huán)境中的熵可以使其自身處于低熵狀態(tài)──也就是說(shuō)可以把能量不均勻地通過(guò)原子分散出去。1944年，偉大的量子物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）在他影響深遠的專(zhuān)著(zhù)《生命是什么》（What is Life?）中已經(jīng)討論過(guò)，生命過(guò)程必須是這樣的。比如，植物吸收高能量的陽(yáng)光，用它產(chǎn)生糖分，并將能量較低的紅外光輻射出去。植物通過(guò)光合作用維持了其自身的內部結構從而避免了衰敗，但由于耗散了陽(yáng)光，宇宙的總熵增加了。
生命過(guò)程并沒(méi)有突破熱力學(xué)第二定律，但直到近期，物理學(xué)家仍然不能用熱力學(xué)來(lái)解釋生命最早為何會(huì )產(chǎn)生。在薛定諤的時(shí)代，他們只能解決處于平衡狀態(tài)的封閉系統的熱力學(xué)方程。上世紀60年代，比利時(shí)物理學(xué)家伊利亞·普里高津（Ilya Prigogine）在預測外部弱驅動(dòng)源作用下的開(kāi)放系統的運行過(guò)程上做出了巨大貢獻，并因此獲得了1977年的諾貝爾化學(xué)獎。不過(guò)對于遠未達到熱平衡，同時(shí)與外部環(huán)境連接，并在外部能量源驅動(dòng)下的系統的行為，他的方法無(wú)法預測。
這種情況在上世紀90年代晚期有所改變，這主要是由于目前在馬里蘭大學(xué)工作的Chris Jarzynski和在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室工作的Gavin Crooks的貢獻。Jarzynski和Crooks指出，由熱力學(xué)過(guò)程產(chǎn)生的熵，比如咖啡變冷的過(guò)程，對應于一個(gè)簡(jiǎn)單的比率：即原子在這一過(guò)程中向外擴散的概率除以與之相反的過(guò)程（即原子自發(fā)地收集熱量使咖啡熱起來(lái)）的概率。因為結果是熵增，所以這個(gè)比率也是大的：即系統的行為變得越來(lái)越不可逆轉。這個(gè)簡(jiǎn)單又不失嚴謹的公式原則上可以適用于任何熱力學(xué)過(guò)程，不論這個(gè)過(guò)程多快，也不論它離平衡態(tài)有多遠。Grosberg說(shuō)：“我們對遠離平衡態(tài)的統計力學(xué)的理解得到了巨大的改善?！盓ngland曾在生物化學(xué)和物理學(xué)兩方面都受過(guò)嚴格的訓練，兩年前他在MIT建立了自己的實(shí)驗室，致力于將統計物理的新知識應用于生物學(xué)。
使用Jarzynski和Crooks的公式，England推導了一個(gè)廣義的熱力學(xué)第二定律，該定律適用于具有以下特征的粒子系統：這個(gè)系統處于外部能量源的強力驅動(dòng)之下，比如被電磁波驅動(dòng)，而且它可以向外部環(huán)境耗散熱。這類(lèi)系統包括所有有生命的東西。England后來(lái)證明了隨著(zhù)時(shí)間的推移，這些系統隨著(zhù)其不可逆性的增加如何演化。他說(shuō)：“從這些公式很容易看出，進(jìn)化結果趨向于達到那個(gè)會(huì )從外部驅動(dòng)場(chǎng)中吸收和耗散更多能量所達到的狀態(tài)?！?/span>這一發(fā)現具有直觀(guān)意義：當粒子與外部驅動(dòng)力共振或沿著(zhù)驅動(dòng)力方向運動(dòng)時(shí)，粒子更趨向于耗散更多能量，并且在任何時(shí)候它們都更趨向于沿著(zhù)被推動(dòng)的方向運動(dòng)而非其他方向。
“這意味著(zhù)被某一溫度的熱浴，比如大氣或者海洋，包圍的原子團，隨著(zhù)時(shí)間的推移，應趨向于使自己與周?chē)h(huán)境中的機械、電磁或化學(xué)的做功源越來(lái)越協(xié)調?！盓ngland解釋說(shuō)。
自我復制的球集群：根據哈佛大學(xué)的最新研究成果，在微球表面涂覆薄膜會(huì )導致其自發(fā)地形成一個(gè)被指定的結構，諸如一個(gè)多四面體（如圖中紅色表示），這一結構將進(jìn)一步觸發(fā)附近的球形成相同的結構。（圖片來(lái)源：Jeremy England）
自我復制（self-replication或reproduction，生物學(xué)稱(chēng)之為生殖），這一過(guò)程驅動(dòng)著(zhù)地球上生命的進(jìn)化。它是這樣一種機制：在這一過(guò)程中，隨著(zhù)時(shí)間的推移，一個(gè)系統消耗的能量會(huì )越來(lái)越多。正如England說(shuō)的，“增加耗散的一個(gè)好辦法是復制更多的自己”。他在2013年9月發(fā)表于《化學(xué)物理學(xué)報》（The Journal of Chemical Physics）的一篇論文中，報道了RNA分子和細菌細胞在自我復制過(guò)程中發(fā)生能量耗散的理論最小量，這個(gè)量值與這些系統復制時(shí)耗散的實(shí)際值非常接近。他在論文中還指出，RNA（核酸）──許多科學(xué)家認為它擔任著(zhù)以DNA為基礎的生命的先導──是一種特別廉價(jià)的建筑材料。他說(shuō)，一旦RNA出現，生命進(jìn)化被達爾文進(jìn)化論控制也許就一點(diǎn)兒也不奇怪。
原始混沌湯、隨機突變、地理、災難性事件和無(wú)數其他因素的化學(xué)反應促成了地球上動(dòng)植物群多樣化的細節。不過(guò)根據England的理論，驅動(dòng)整個(gè)過(guò)程的基本原則是由耗散驅動(dòng)的物質(zhì)適應性。
這一原則也適用于無(wú)生命的物質(zhì)。“在由耗散驅動(dòng)的適應性組織這個(gè)大帳篷下，我們去推測自然界中什么現象可以用它來(lái)解釋?zhuān)@是非常誘人的?！盓ngland說(shuō)，“很多例子可能就在我們眼皮底下，但由于我們沒(méi)有去尋找它們，所有還沒(méi)有注意到?！?/p>
在非生命系統中，科學(xué)家已經(jīng)觀(guān)察到自我復制現象。根據加州大學(xué)伯克利分校Philip Marcus教授領(lǐng)導的研究小組在2013年8月在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表的研究結果，在急速旋轉的流體中的漩渦可以從周?chē)黧w的剪切力中獲取能量而自發(fā)地進(jìn)行自我復制。哈佛大學(xué)應用數學(xué)和物理學(xué)教授Michael Brenner及其合作者曾在《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）在線(xiàn)發(fā)表了一篇論文，呈現了微觀(guān)結構自我復制理論模型和模擬過(guò)程。這些具有特殊涂層的微球集群通過(guò)拉攏附近的球形成相同的集群而消耗能量。Brenner說(shuō)：“這與Jeremy的理論聯(lián)系非常緊密?！?/p>
除了自我復制，更大的結構化組織是強驅動(dòng)系統提高其耗散能量能力的另一種途徑。例如，一株植物比一個(gè)非結構化的碳原子堆更有能力通過(guò)自身獲取太陽(yáng)能。因此，England說(shuō)，在某些條件下，物質(zhì)會(huì )發(fā)生自發(fā)的自組織。這種趨勢可以解釋許多有生命和無(wú)生命結構的內部秩序?！把┗?、沙丘和湍流旋渦都具有這個(gè)特點(diǎn)，它們都是在一些耗散過(guò)程驅動(dòng)的多粒子系統中顯示出自身的圖案結構，”他說(shuō)，冷凝、風(fēng)能和粘性阻力是這些特殊情況下的相關(guān)過(guò)程。
“他使我相信生命物質(zhì)和非生命物質(zhì)沒(méi)有那么明顯的區別，”康奈爾大學(xué)的生物物理學(xué)家Carl Franck在一封郵件中說(shuō)，“當你考慮只涉及幾個(gè)生物分子的化學(xué)電路那樣小的系統時(shí)，England的想法給我留下的印象特別深刻?！?/p>
England大膽的想法在未來(lái)幾年將可能面臨嚴密的檢測。他用計算機模擬來(lái)檢測他的這一理論，即粒子系統在消耗能量的過(guò)程中會(huì )調整自身結構使其變得更好。下一步將是在生命系統中進(jìn)行實(shí)驗。
在哈佛大學(xué)領(lǐng)導一個(gè)生物物理實(shí)驗室的Prentiss說(shuō)，England的理論可以通過(guò)比較具有不同突變的細胞并尋找細胞的能量消散量與它們的復制率之間的相關(guān)性來(lái)進(jìn)行檢測?！叭藗儽仨毢茏屑?，因為任何突變都可能做很多事情，”她說(shuō)?！暗?，如果人們一直在很多不同的系統做這些實(shí)驗，而且如果耗散與成功復制確實(shí)是相關(guān)的，那將意味著(zhù)England的理論是正確的組織原則?！?/p>
Brenner說(shuō)他希望把England的理論與他自己做的微球結構聯(lián)系起來(lái)，去判斷這個(gè)理論是否可以正確地預言某一個(gè)自我復制和自組裝過(guò)程可能會(huì )發(fā)生?！斑@是科學(xué)上的一個(gè)基本問(wèn)題?！彼f(shuō)。
許多研究者表示，擁有一個(gè)生命及其進(jìn)化的首要原則將在結構形成和生物功能方面為研究人員提供更廣闊的視野。牛津大學(xué)的生物物理學(xué)家Ard Louis在一封郵件中寫(xiě)到：“自然選擇定律并不能解釋某些特性”。這些特性包括基因表達的可遺傳改變，即所謂的甲基化（methylation），它在自然選擇的缺失下復雜性會(huì )增加，并且某些Louis最近研究過(guò)的分子會(huì )發(fā)生改變。
如果England的方法能夠承受更多檢測，它可以把那些為每一個(gè)適應過(guò)程尋求達爾文進(jìn)化論解釋的生物學(xué)家進(jìn)一步解放出來(lái)，使他們可以更廣泛地思考耗散驅動(dòng)組織（dissipation-driven organization）方面的問(wèn)題。比如，他們可能會(huì )發(fā)現，“一個(gè)生物顯示特征X而非Y的原因也許不是由于X比Y更合適，而是由于物理約束使得X比Y更容易進(jìn)化?！盠ouis說(shuō)。
“人們常常陷入對個(gè)別問(wèn)題的思考?！盤(pán)rentiss說(shuō)，無(wú)論England的想法是否能被嚴格證明為正確，“許多科學(xué)突破是由發(fā)散性思維帶來(lái)的?！?/p> 原文地址 https://www.quantamagazine.org/20140122-a-new-physics-theory-of-life/
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