生命源於物理？MIT教授的生命起源新理論迎來有力證據

科學家告訴我們，生命很可能起源於一碗熱騰騰的湯。這碗湯里可是應有盡有，什麼碳氫氧、岩漿、水、礦物質、有機物在裡面混雜翻騰，感覺就像DT君昨天吃的海底撈。

然而生命如何在這碗湯中誕生？科學家卻仍未能回答這個問題。

對於這一未解之謎，人們曾提出過無數理論猜想；有人說生命誕生於海底熱泉，有人說其誕生於冰川深處，還有人說是閃電打出了第一波生命的火種。

而麻省理工副教授、生物物理學家Jeremy England卻從另一個更宏觀、更本質的角度看待這個問題，他從事該方面研究已有好幾年。本次，他最新的理論模擬顯示：生命的誕生並非是什麼巧合，而是物理熱力學演變的結果，就像山坡上的石頭自然滾下一樣必然。

圖丨Jeremy England

他最新的兩項模擬實驗成果於本月被發表，刊登在《美國科學院學報》（Proceedings of the National Academy of Sciences ）和《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

根據他提出的公式，在適當條件下，原子們會自然地重組自己的結構，以消耗更多的能量，並促進能量的不斷分散——該過程滿足熱力學第二定律，使宇宙中熵只增不減。Jeremy England稱這種結構重組效應為「消耗驅動適應效應」（dissipation-driven adaptation），並認為該效應促進了生物複雜結構的生成。

儘管科學家目前還不能被斷言該理論的正確性，但這兩次計算機模擬的結果似乎都支持了「消耗驅動適應效應」的預測。

德國科隆大學的統計物理學家和定量生物學家， Michael L?ssig說：「這顯然是一項具有開創性的研究。然而，因為它只是一個關於相對較小系統內一組特定規則的案例研究，所以現在就得出結論還為時尚早，但重要的是，要明白它對我們關於『生命』的認識意味著什麼。」

在《美國科學院學報》上刊載的論文中，Jeremy England拋開細胞和生物學上的細節，描述了一種更為簡單的模擬化學系統。具體而言，該系統為一個由25種不同的化學物質構成的「大雜燴」，互相之間能以無數種方式進行反應。

「大雜燴」中的能量源促使了某些化學反應的產生，就像陽光觸發大氣中的臭氧生成，以及化學燃料ATP驅動細胞中的各種過程一樣。模擬開始於一個隨機的初始化學濃度，反應速率和能量源導致的強制反應會決定哪些反應會受外界影響以及它們所受影響的大小。這一「化學反應網路」會一直發展，直到它們達到穩定態或是一個特定的點（fixed point）為止。

一般情況下，系統通常會停止在熱力學平衡狀態下，其內各種化學物的濃度處於總體的均衡，正如室溫下的熱咖啡會逐漸冷卻一樣。這種向平衡狀態轉變的趨勢源於熱力學第二定律，即能量總在擴散，宇宙中的熵總在上升。

但在某些特殊的初始條件下，「化學反應網路」會朝著與「平衡態」相反的方向發展——反應循環將通過最大可能的收集環境中的能量而加劇。England將其稱為「外部熱力學強制機制」，並認為這是系統與其環境間明顯微調（fine-tuning）的結果。

簡而言之，一個正常的系統會朝著最混亂的情況隨機發展；但在England的模擬中，系統彷彿「有目的性地」搜集能量，朝著搜集能量最多，而非最隨機的情況發展了。

其實，活著的生物體就處於這樣一種狀態：我們是一種超級消費群體，會通過燃燒大量的化學能來為細胞反應提供動力，並「有目的性地」搜集能量，最終會增加宇宙中的熵。 L?ssig說：「計算機在一個更為簡單，抽象的化學系統中模擬這種狀態，結果顯示該狀態幾乎可以立即出現，不需要經過長時間的等待。」

在這種模擬中，構成生命的獨特結構可能會自行從無序中產生。England 認為這就是生命起源的背後真相，但他對此表示：「這並不意味著這種特殊結構在任何情況下都能生成，該系統的變化過於複雜和非線性，因此我們無法預測系統下一刻會發生什麼。」

而在《物理評論快報》上發表的論文中， England和他的合作者Tal Kachman以及麻省理工學院的Jeremy Owen模擬了一個相互作用的粒子系統。 他們發現系統會隨著時間的流逝，通過形成和斷開鍵來增加自己對能量的吸收，以便更好地與驅動頻率（driving frequency）共振。England說：「這在某種意義上，比《美國科學院學報》上發表的論文中發現的化學反應網路結果更為重要。」

許多生物物理學家認為，Jeremy的想法可能會是現實的一部分。 但對於Jeremy是否解開了生命起源的神秘面紗：什麼是生命的本質？ 學界意見不一。

圖丨如果新理論是正確的，相同的物理機制不僅可以用來解釋生命的起源，也可以解釋自然界中許多其他圖案化的結構是如何形成的。雪花、沙丘和在原行星盤（the protoplanetary disk）中自我複製的旋渦都可能是耗散驅動的適應理論的例證

Jeremy England認為生命的本質源於分子的特殊排列，他在29歲進入MIT之前，曾在哈佛、牛津、斯坦福以及普林斯頓待過，被人們認為是一位典型的「神童」。他說：「我曾假想隨機重組構成細菌的原子，我把它們全部標記，改變它們空間上的排列方式——但我能得到的可能只是一堆『垃圾』，絕大多數（原子組件）的排列方式並不會產生細菌的代謝能力。」

一組原子要獲得並燃燒化學能並不容易，原子必須以非常不尋常的形式排列。 根據England的說法，「系統中出現的結構會面臨來自環境的挑戰。」

但原子又是怎樣演變至細菌的特定形式和功能，使自己消耗最大的能量？England 認為，這是向遠離平衡點方向發展的熱力學過程的自然結果。

熱咖啡在室溫下會冷卻，是因為沒有東西在給它加熱，但England的計算表明，由外部能源驅動的原子團的表現則與此不同：它們會開始利用這些能源，對齊和重新排列原子結構，以便更好地吸收能量並將以熱量的形式消耗能量。England表示，統計學上消耗能量的趨勢可能會促進自我複製的發生。 他認為生命的形式和功能的非凡結合，可能源於對耗散驅動適應效應以及自我複製。

但是，即使微調的平衡點可以在越來越多的生命起始環境中被觀察到，在解釋生命起源的問題上，一些研究人員還是將Jeremy的論文總體視為「必要但不充分」，就像Walker所說的那樣，它不能解釋生物系統的一個標誌性特徵：它們所具備的信息處理能力。 從簡單的趨化性（細菌遷移到營養濃度或遠離毒物的能力）到人類的語言溝通，生命系統會接收並回應周圍環境的信息。

Walker認為，這讓我們得以區分生物系統與其他符合Jeremy「耗散驅動的適應理論」（例如木星的大紅斑）的系統。她說：「這（木星大紅斑）是一個高度非平衡的耗散結構，至少已經存在了300多年，它與現在地球上現存的數十億年的非平衡耗散結構截然不同。認識生命的獨特性，需要明確一些非平衡耗散結構類過程外的信息。」 她認為，信息處理能力是問題的關鍵：「我們需要化學反應網路可以在環境中形成，但之後向著遠離起始環境的方向發展。」

生物除了獨特的熱力學性質和它們的信息處理能力外，還能設法存儲自己的遺傳信息並傳遞給後代。生命的起源不僅僅源自相應結構的出現，而是一種特定的過程，即達爾文學說（Darwinian）。生物開始複製構成生命的原子排列，以及它們開始影響自己的繁殖率。一旦達成這兩個條件，系統基本上就正處於一種達爾文進化開始的狀態，對於生物學家來說，這就是「生命起源」的全部過程。

哈佛大學化學與化學生物學教授， Eugene Shakhnovich曾監督Jeremy England的本科研究工作，他大大強調了他的前學生當下的研究與生物學問題之間的分歧。 Shakhnovich說「他在我的實驗室開始了他的科學事業，我很清楚他的能力。Jeremy所做的工作，或許是關於簡單抽象非平衡統計力學系統的有趣模擬。」他認為，生物學或生命起源或許只是「一種無聊的猜測」。

Sarpeshkar認為消散驅動適應效應是生命起源故事的開場白。他說：「Jeremy所展示的東西是，只要你能從環境中獲取能量，你就會逐漸開始自我調節，秩序就會出現 。」 他指出，生命的本質，雖然與比Jeremy和Horowitz的化學反應網路多得多的東西有關。 但Jeremy和Horowitz在嘗試解釋生命最初是如何出現的，也許——秩序就是能自然地從混沌中出現。

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