生命是物理學的必然結果？

哲學園鳴謝

2013年，一個關於生命起源的新的假說走進了公眾的視野，麻省理工學院的生物物理學助理教授 Jeremy England 提出「生命是物理學的必然結果」，瞬時引起巨大的討論。有人認為這一理論太過貧瘠，也有人認為這足夠大膽和勇敢，或許會是一個重大突破。之後，England 致力於用計算機模擬實驗以驗證自己的想法。近日，他將得到的兩項結果分別發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)和《物理評論快報》(PRL)上。

MIT生物物理學副教授 Jeremy England。（圖片來源：Katherine Talor/Quanta Magazine)

England認為，生命的起源是熱力學的必然結果。他推導的方程式表明，在特定條件下，原子團會自然地重組自身，以便消耗更多的能量，從而促進能量的持續耗散和「熵」（或宇宙的無序狀態）的增加。這種重組效應被 England 稱為「耗散驅動適應性」（Dissipation-driven adaptation），它促進了例如生物等複雜結構的生長。

這一理論雖還未被完全證實，但無疑是開拓性的，它試圖從物理的角度為我們解答的是一個重要的大問題：生命從何而來？但 England 的理論並非是要推翻或取代達爾文的進化論，相反，他認為或許從物理學的角度出發，可將達爾文的進化論看做是一個更普遍的現象中的特殊情況。

生命從何而來？（圖片來源：Love the wind）

England曾在一個訪問中說：「如果用光照射任意一堆隨機聚集的原子足夠長時間，最終可以得到一株植物，對於這種結果不要覺得太奇怪。」

他認為生物之所以出現，是因為在特定環境下，比如在能量分布紊亂的行星上，物理能使原子重新排列自己以應對混亂的能量流動。而這種原子結構的排列正好組成了「生命」。

這些原子會在外力的幫助下，如太陽的照射，會重新排列成更能有效的吸收和釋放能量的結構。更重要的是，這些結構還能自我複製，以便更好地處理這些能量流。按照這個構想，也就是說只要依靠物理學的定律，生命就能在幾種最基本的化學物質和太陽的存在下，得以出現並進行複製。

熱力學第二定律

這個理論的核心思想是熱力學第二定律。我們都知道，熱的東西會逐漸變冷，氣體在空氣中擴散，打碎的雞蛋永遠也不會「破蛋重圓」；簡言之，隨著時間流逝，能量會趨向於分散或散開。熵就是衡量這種趨勢的量度，用來量化系統中粒子之間的能量的分散程度，以及這些粒子在整個空間中的擴散程度。熵增加是個簡單的概率問題：比起聚集能量，耗散能量的方式有更多。因此，隨著一個系統中的粒子移動並相互作用，它們傾向於採用使能量分散的構造。最終，系統會達到被稱為「熱力學平衡」的最大熵狀態，這時能量在各處都均勻分布。

儘管一個「封閉」的系統的熵必定會隨著時間的推移而增加，但在「開放」系統中，系統可以通過增加其周圍環境的熵來維持自身的低熵狀態，也就是讓系統中的原子之間的能量被不均勻的分配。

我們現在就處於有一定秩序的低熵狀態，在這種狀態下，所有的事物無法在原子層面被重新排列過後仍保持一樣，例如生命。1944年，著名的物理學家薛定諤在他的著作《生命是什麼？》中提出，這種低熵的維持是生命必須做的事情：例如植物能吸收高能量的陽光，用它積累糖分，再向外輻射能量較低的紅外光。在植物通過光合作用維持自身的內部結構的過程中，由於耗散了陽光，使得宇宙的總熵增加了。

我們可以想像往一池水中滴入三種不同顏色的水滴。最初，它們在水中是三個不同顏色的分開的點，慢慢的，顏色開始擴散、混合，直到最終整池水都變成一種顏色。那就是宇宙，在這種情況下，這些短暫存在的不同顏色水滴就如同是生物的生命。

England 在MIT建立了自己的實驗室，致力於將統計物理學的知識應用於生物學。他從熱力學第二定律中推導了一個廣義的定律，適用於具有以下特徵的粒子系統：這個系統受很強的外部能量源驅動，如電磁波，並且它還能向外部環境耗散熱量。所有的生物體都屬於這種系統，也就是文章開頭所提到的耗散驅動適應性。

模擬實驗

為了驗證這一定律，他進行了大量計算機模擬實驗。他模擬了含有25種基本化學物質、會產生多種相互作用的「物質湯」。物質湯中的能量源會促進甚至「迫使」這些物質間發生某些化學反應，就好像陽光能促使大氣中的臭氧生成，或是化學燃料ATP為細胞活動提供能量一樣。

在 PNAS 發表的那篇論文中，他們從隨機的初始化學濃度、反應速率、以及「強迫性外力」這三個參數開始，模擬化學反應的演化，直至達到最終的一個穩定狀態，或者說一個「定點」。其中「強迫性外力」決定哪些反應能從外力中得到加強以及加強的程度。

通常來說，系統應該會在所含化學物質的濃度、以及正逆兩向的化學反應也達到平衡時，進入一種平衡狀態。這也符合熱力學第二定律告訴我們的，能量總是不斷耗散，宇宙一直在熵增。

但在 England 的模擬實驗中發現，對於某些初始設定，模擬中的化學反應系統會往截然不同的方向發展：在這些情況下，它們的「定點」遠沒有達到平衡狀態，而是通過從周圍環境中儘可能的獲取能量，來持續將化學反應循環下去。England 和他的同事認為，這種現象可被視為是系統與其環境之間的「微調」，在這種情況下，系統處於「極端熱力學強迫下的罕見狀態」。

而生物就是這種在被極端強迫的狀態下仍保持穩定狀態的存在：當我們需要給細胞內的化學反應供能時，會消耗並降解環境中大量的化學能，同時增加宇宙的熵值。在模擬中，他們並沒有將生物學的一些可變數，如細胞的行為、DNA的形成等預編到模擬程序中，而是用這樣一個更簡單也更抽象的化學系統來模擬這種穩定狀態的行為。他們發現這種穩定狀態並不需要通過長時間的等待，這意味著在現實世界中這樣的「定點」可以很輕易就達到。

在發表於 PRL 的論文中，England 和他的合作者模擬了一個相互作用的粒子系統，並發現系統會通過形成和斷開粒子間的鏈接來增加其能量的吸收，以便更好的與驅動頻率產生諧振。England 認為，這一發現比在 PNAS 發表的論文里討論的化學反應系統的發現要更為基礎。

一個被限制在粘性流體中的粒子系統，其中青綠色粒子受振蕩力的驅動。隨著時間的推移（從上到下），在振蕩力的作用下觸發了更多的鏈接形成於粒子之間。（圖片來源：Jeremy England et al.）

關鍵是，England 和他的同事在這個模擬中加入了一種具有挑戰性的環境，使得系統需要有特殊的配置才能把可用的能量來源利用起來，正如構成細菌的原子需要有特殊的排列可以形成可以新代謝能量的細菌一樣。

England 認為，這種系統具有可以發生循環反應並持續耗散能量的特殊配置就是代表生命本質的形式-功能關係。

討論

兩項模擬實驗的結果似乎都對 England 的「耗散驅動適應性」的總體觀點提供了支持。他和合作者打算下一步計劃是擴展他們的化學反應系統，以觀察它是否仍舊可以重複之前的發現。還可以讓模擬變得不那麼抽象，通過根據早期地球的原始化學環境可能存在過的條件來調整化學物質濃度、反應速率和強迫性外力這些參數。

那麼，那個大問題被回答了嗎？或許我們需要記住的是，這仍只是一個新生的理論，它在破解生命起源的奧秘的道路上仍處於推測階段。

許多生物物理學家認為 England 所做出的解釋或許能解釋一部分生命的故事。但是，England 是否真的找到了生命起源最重要的一步，在一定程度上取決於如何定義生命的本質。而對於這個問題，意見很難達成一致。

England 將生命的本質看作是原子一種能夠從環境中獲取能量並以熱量的形式將獲取的能量耗散掉的特殊排列，也就是所謂的具有耗散驅動適應性。他認為生命或許就是這樣一種結構組合，他說：「如果我們想像將一個細菌的原子進行隨機的重新排列，將它們全部拆開、做標記 、再排列組合，十有八九我們會得到一堆垃圾，因為大部分原子的組合都不會成為具有新陳代謝能力的細菌。」

這是最常導致這個理論受到質疑和反駁的原因之一。具有這種性質的不僅有生物體，例如木星的大紅斑就是這樣一個具有耗散驅動適應性的系統。因此有人認為，England 研究中的「類生命結構」看起來過於抽象，不能被真正視為「生物」。

生物學家普遍認為，「生命體」的重要標誌是具有處理信息的能力。這才真是生物之所以與「大紅斑」一類系統不同的重要區別。因此即便這個理論在物理方面的解釋已經步入正軌，但生物學家仍需要知道的更多細節，例如它會如何解釋「始祖細胞」進化成第一個活細胞，遺傳密碼是如何產生等一系列問題。

England 完全認同這些質疑，他表示，從目前階段的發現來看，還不能從生物學角度解釋生命起源。不過總的來說，這絕對是一個非常引人注目的假說，它清楚地顯示了一種在趨向完全無序過程中出現的有序趨勢。如果這被證實是正確的，那麼這將成為繼達爾文的驚世巨作後對進化論最重大的補充。

編譯：二宗主

參考來源：

[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/

實用、實用還是實用

《人文社科項目申報300問》

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