用物理學闡釋生命，他被稱為「第二個達爾文」
想像一種語言就是想像一種生活方式。
——路德維希·維特根斯坦《哲學研究》（1953）
撰文 艾利森·艾克（Allison Eck）
翻譯 張雪
審校 丁家琦
考慮到辭彙的含義以及它們所能表達的深意，傑里米·英格蘭（Jeremy England）非常注重措辭。他避免使用「意識」或「信息」這樣的詞，他覺得這太意味深長了，所以反而不可靠。在他考慮合適的措辭時，他的嗓音甚至會出現小小的破音，隨後才再次恢複流暢。
他的小心翼翼有情可原。這位34歲的麻省理工學院物理學助理教授提出了一項叫做「耗散適應」（dissipative adaptation）的新理論，來詮釋複雜的生命體是如何由無機質這樣的簡單物質進化出來並完成自我組織功能的。這個理論讓英格蘭獲得了一個他不怎麼喜歡的稱號：「第二個查爾斯·達爾文」。但英格蘭的故事在探討生命的同時也與語言相關。
當前世界仍在使用的語言有6800種之多，然而並不是每個詞都有準確的翻譯，一些獨特的含義也就在不同的語種轉換間流失掉了。例如，日語中的wabi-sabi（侘寂，指殘缺之美）和德語中的waldeinsamkeit（指獨處於樹林中的孤獨感）在英語中都沒有完全對應的單詞。
不同的科學領域也相當於不同的語言描述系統，所以科學解釋有時候就相當於一種翻譯。比如「紅色」是指「620~750納米的波長」，「溫度」是指「粒子的平均速度」。這種翻譯越複雜，所傳達的含義也就越多，比如「引力」即是「時空幾何」。
那麼生命呢？我們看到生命時能夠感受到它的存在，達爾文的理論甚至能夠解釋不同生命形式間的進化。但既然知更鳥和石頭都遵循相同的物理法則，它們之間又有什麼區別呢？或者說，我們如何用物理來解釋「生命」？有些人認為「生命」無法詮釋，但它有可能只是需要一個正確的譯者。
當大多數男孩還在看漫威漫畫時，12歲的英格蘭已經開始閱讀《遺傳學卡通入門》（The Cartoon Guide to Genetics）了。這本書的封面畫的是一名潛水員正在進入真人大小的水底DNA中，書里介紹的則是從核糖體到植物性別的基礎生物內容。英格蘭馬上就對這著了迷。
《遺傳學卡通入門》這本書的封面。圖片來源：www.larrygonick.com/
「我當時覺得，多種多樣的分子能夠各自行使其功能實在是太神奇了。」英格蘭熱情洋溢地說著，不時用手比劃著，頭上還戴著一頂猶太圓帽。
他拿DNA聚合酶來打了個比方。在生物學裡，DNA聚合酶的功能是將核苷酸組裝成新的DNA分子，而核苷酸則是由鹼基、五碳糖和磷酸組成的。「當你了解了這整個過程時，會覺得其中所有的參與者都是有意義的——它們就像是在合力完成一個目標。」英格蘭說道。「但是，這些物質和無機物並沒有多大差別。如果你把它們破碎成小片段，它們能做的也只有旋轉和振動了。」
在哈佛大學讀本科期間，他師從生物物理學家尤金·薩科諾維奇（Eugene Shakhnovich）進行蛋白質摺疊的研究，發現了更多類似的情況。蛋白質資料庫中儲存了海量蛋白質結構信息，有許多形狀優美、顏色各異的條帶或片層，不同顏色代表了不同的蛋白特性。拆來開看，每個蛋白質都是由同樣的20種氨基酸組成的，但神奇的是，一旦這些蛋白質摺疊成形，他們就能擔負起生命運行所必需的獨特功能。「氨基酸雖然不能幫你寫出十四行詩，但把上百個氨基酸串聯起來，一下子就變成了有特定用途的分子機器。」英格蘭說道。
不知為何，這些原本茫然轉動的齒輪之中誕生了「使命感」。單獨的每個零件都僅僅遵循基礎的物理定律，但他們聚合起來時就能產生一定的功能。物理學世界中似乎沒有「功能」這種說法：時空從不因某種原因而存在，它只是存在而已，但在生物學裡，系統需要不斷調整來起到運動、催化或是合成作用。「功能」這個詞將生命體與非生命體區分開來，那麼它究竟是我們人為賦予有生命的物體的，還是它們與生俱來的？就像英格蘭2014年在瑞典卡羅林斯卡醫學院做的報告里所說的一樣，物理學並不會區分生命體與非生命體，但是生物學中卻有這個概念。
英格蘭獲得博士學位後來到普林斯頓大學做博士後研究，他有時會開車到紐約拜訪一位主修哲學的舊友。這位朋友會帶他到下東區自己最愛的去處，和他一起長談英國籍奧地利哲學家路德維希·維特根斯坦。
維特根斯坦有很長一段時間獨自住在挪威的森林裡（正如上文提到的德語「waldeinsamkeit」所描述的，獨處於森林中的狀態），寫些「語言遊戲」或是研究語言規範。有些哲學家堅持認為，單詞的含義是世界上所存在的物理對象所固有的。而維特根斯坦則認為，單詞的含義是由人們使用單詞時的語境所決定的。玩語言遊戲有點像是用密電碼說話——如果兩個人參加一場雙方都能理解的活動，那麼他們可以用更少、更簡單的話來知悉彼此，音樂家、政治家、科學家等不同的群體都需要採用語言遊戲來滿足各自的需求。新的語言遊戲在持續不斷地生成，人們所表達的含義改變著語言框架，而辭彙也在不斷地適應。
「這位朋友特地用我能理解的內容來說明這個觀點，除此以外，希伯來聖經也對我幫助很大。」英格蘭說道。
「起初神創造天地。」這句話中的「創造」、「天」、「地」 在希伯來語中分別是bara，shamayim和aretz，但英格蘭說，這三個詞只有和下文的語境聯繫在一起時才具有實際含義。比如說「創造」這個詞bara表示賦予事物以名稱，那麼創造世界就是創造一種語言遊戲。「神說，要有光，就有了光。」神說出光的名字才創造了光。「我們對這句話太熟悉了，以至於我們開始真正思考這句話時，很容易忽略它最簡單的含義，」英格蘭說道，「正是我們這樣稱呼光，才有了能夠讓我們看見這個世界的光。」英格蘭認為，如果要用物理語言來描述生物學的話，這一點或許很重要。
他的確這樣做了。他當時是麻省理工學院的一名青年科研人員，但他既不想放棄生物學，也不想放棄理論物理。「如果你不肯捨棄十分感興趣卻完全不同的兩樣東西，」他說，「那麼你就不得不學會在二者間進行翻譯。」
兩類太陽能設備：一棵樹和一塊太陽能電池板都能吸收、轉化太陽能，並將熱量釋放到周圍的環境中。那麼一名物理學家該如何解釋，只有樹屬於生命體呢？圖片來源：Shutterstock
在猶太人的傳統中，「奇蹟」不一定要違反自然規律。他們認為「奇蹟」並沒有那麼誇張，只是過去認為不可能的現象現在發生了而已。見證奇蹟的人往往要重新定義之前的假設來化解矛盾。簡而言之，他們必須從新的視角來審視這個世界。
對於精通統計力學的物理學家而言，生命就是個奇蹟。熱力學第二定律表明，在封閉系統的條件下——比如盒子中的氣體，或是把宇宙看做一個整體——混亂度會隨時間而增加（即熵增定律）。雪會融化成一灘水，但一灘水絕不會自發地聚集成雪花。如果你真的看到水變成了雪花，那你肯定以為自己在看電影回放，這就像時間倒流一樣。熱力學第二定律使得大量原子顆粒的行為都具有不可逆性，所以我們才會有「過去」、「現在」和「將來」這些辭彙。
時間的箭頭總是指向無序的方向，然而生命的箭頭卻恰恰相反。一顆毫無生氣的種子可以生長為結構複雜的花朵，死氣沉沉的大地中也能生長出茂密的森林，為什麼掌控著生命原子的法則和掌控宇宙中其他原子的法則具有如此不可思議的差異？
1944年，物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）在他的著作《生命是什麼？》（What is Life?）中解釋了這個問題。他發現生命體與盒子中封閉氣體的不同之處在於，前者是一個開放系統。也就是說，生命體允許自身與環境間發生能量的轉化。生命體在維持內部秩序的同時，也會損失熱量並釋放到環境中，使得宇宙的熵整體增加，這就與熱力學第二定律的描述相一致了。
與此同時，薛定諤又發現了一個疑問。他說，引發時間箭頭和生命箭頭的機制一定是不同的。時間箭頭來源於大量樣本的統計——當你有足夠多混亂無序的原子時，其中的無序排布要比有序排布多得多，所以這些原子形成有序狀態的可能性為零。但對於生命而言，即便在顯微鏡下看，原子也是有序而不可逆的，而只有極少的原子游離在外。在這種條件下，原子不可能大量聚集，也就無法在統計上形成熱力學第二定律這樣的規律。比如說，生命的基礎成分、RNA和DNA的構成單位——核苷酸，就僅由30個原子組成。但薛定諤也注意到，遺傳密碼的組成之牢固簡直不可思議，甚至能夠「以近乎奇蹟的持久力」遺傳成千上萬代。
那麼基因又是如何抵抗衰退的呢？如此脆弱的分子為何不會瓦解？這其中一定有比統計學更深奧的原理，令少量的原子能夠自力更生地完成不可逆過程並成為鮮活的生命。
半個世紀後，英國化學家加文·克魯克斯（Gavin Crooks）首次從數學角度解釋了微觀不可逆。克魯克斯在1999年發表的文章中用一個公式說明，由外界能量源驅動的小型開放系統只要不斷耗散自身能量，就可以發生不可逆的改變。
想像你自己站在一堵圍牆前面，你想要到達牆的另一邊，但是牆太高跳不過去。你的朋友遞給你一把彈簧高蹺方便你越過去。這樣，你就能用這把彈簧高蹺一次又一次的跳過去再跳回來。外界能量源就像彈簧高蹺一樣能幫你做出改變，但這是可逆的改變。
再想像下，如果你的朋友給你的是噴氣背包，你點燃它並飛越圍牆。在你越過圍牆的同時，噴氣背包消耗了燃料並將能量釋放到周圍的空氣中，所以當你落地時，背包里就沒有足夠的能量令你返回圍牆那邊了。你只得留在圍牆另一邊，這個過程就是不可逆的。
克魯克斯的觀點與之類似：一組原子可以利用外界能量完成自身構象的改變——這就像是跳過圍牆。如果原子在轉變的同時耗散能量，那麼這個過程就可能是不可逆的。它們通常會再利用另外一波能量轉變回來，但有時候他們也會藉助下一波能量轉變成另一個新狀態，不斷地耗散自身能量進行一步又一步的轉變。這樣說來，能量的耗散不一定是不可逆的，但是不可逆過程一定需要能量耗散。
克魯克斯的結論具有普遍性，可以適用於任意平衡系統的轉變，甚至有可能包括生命。但英格蘭說，「對於一個內部有大量耗散的大型混亂多體系統而言，解釋這個問題要格外謹慎。這些結論似乎沒錯，但是在計算上可能很難操作。」2013年，英格蘭在加州理工學院演講期間，他一直在賓館的房間里演算克魯克斯的公式。很顯然，從克魯克斯的公式來看，如果生命要滿足不可逆過程，那麼這個系統就得特別適合吸收和耗散熱量。但英格蘭認為事實不止如此。
「我在思考這個問題時，似乎一直在同一個基點附近打轉，」他說，「有時候我會暫時放下它，去睡覺，再思考別的事。後來又回到這裡時，可能牆上就多出了一條路。隨著時間流逝，我就開始不斷接受不同的事物。」
最終，他還是想到了。假定某些特殊排布的原子特別容易吸收和消耗某種特定的能量來源，這種原子排布就更容易完成不可逆的轉變。隨著時間流逝，如果某些系統相對而言變得特別適合這個過程，那麼這一系列不可逆的轉變就會變成一種能夠獨立運作的合成作用。英格蘭拿起鉛筆寫下考慮系統的歷史耗散條件下的熱力學第二定律推廣式，他說這解釋了生命結構與功能的起源。在去年年底發表的一篇論文中，他這樣解釋道：
儘管系統中任意既定的改變幾乎都是隨機的，但最持久、不可逆的改變都發生在當系統碰巧可以暫時較好地吸收和耗散能量時。隨著時間流逝，系統優先「記住」了這些相對不可逆的改變，於是愈發適應於這種耗散發生時的構型。回顧這種非平衡過程，我們會發現它的結構已經自我組織形成一種適應於環境條件的狀態，這種現象就叫做耗散適應。
當然，原子系統並不會嘗試做一切事情，它只是盲目地、隨機地不斷調整。在從一種形態轉換到另一種形態過程間發生的一系列化學變化中，它自發組織成某種形態，但對我們而言，這看起來就像是「適應」。維特根斯坦說：「語言是一座迷宮。」對英格蘭來說，這次的翻譯似乎是對的。你怎樣用物理來解釋「生命」呢？英格蘭把它叫做「耗散適應」。
儘管耗散適應這個理論讓我們聽起來覺得自己就像是太陽的冷卻塔，但它可大有用處。達爾文的自然選擇學說變成了更普適的耗散適應現象中的一個特例，就好比是漢語中的一種方言。自然選擇是自我複製（即生物學中的生殖）在宏觀上的體現，而耗散適應卻解釋了微觀層面的原理。自我複製確實是消耗和耗散能量的不錯選擇。在耗散適應理論中，「適應度」（fitness）有了新的意義。「在耗散適應中，適應度不是由一系列最優函數定義的，而是指系統與環境中可利用能量的『平等交換』關係。」東北大學的物理學助理教授梅尼·瓦努努（Meni Wanunu）說道。系統在耗散能量的過程中也向不可逆的方向發生改變，因而成為了「特例」，而並非完美或是理想狀態。「鳥類並不是地球上最適合飛行的物種，」英格蘭說，「它們只是比石頭或蟲子更適合飛行而已。」
這一理論不得不讓我們重新思考令生命如此特別的所謂「功能」：「在能夠發揮功能的地方，我們才更具有適應性。」英格蘭這樣說道。在不藉助任何強作用力的條件下，從一系列弱相互作用粒子中出現複雜功能的這一過程，可以被分解成若干個由外界驅動的小型不可逆轉變。蛋白或酶這類物質的出現，可能要比我們想像中的更加容易。「它們可能不是在亘古流傳的自我複製中精挑細選出的氨基酸序列，」英格蘭說，「有可能只是為了自我組織得更快一些。如果我們能夠說服自己，生命最初的階段更像是一段指向正確方向的斜坡或樓梯，在進化的過程中逐漸增加高度，那麼這至少可以改變我們思考的方向。」
這個理論不僅能幫助我們回顧過去，還能提出新的設計和工程學方法。「如果只是模仿生物體做的某件事，而非模仿生物本身，要做的事情可能就會減少很多。」就拿英格蘭及其實驗室成員目前正在研究的突現計算（emergent computation）來說，他們的目標是在不接受任何設計指導的情況下，使粒子系統在自身環境中進化出預測改變的能力，畢竟想要在環境波動中變得更適合吸收和耗散能量需要一定程度的預測水平。「如果這個實驗能夠成功，那麼關注點就變成了粒子系統是如何基於對過去的統計來調整相互作用，有效實施關於未來的計算的。」英格蘭說道。這可能會影響到一系列與預測力相關的技術，不管是神經網路的運作，還是預測低價機票的程序設計。
這就是「翻譯」的神奇之處。空談不如實踐，如果實驗能成功，就是耗散適應理論最好的證明。目前，瓦努努仍持保留態度：「英格蘭提出了一系列的新想法。但想要用實驗驗證這個理論，還需要持續關注。」哈佛大學的系統生物學助理教授傑里米·古納瓦德納（Jeremy Gunawardena）也不完全認同這一方法：「英格蘭想要不考慮化學因素，而僅僅把生命起源的抽象本質看作物理的必然性，」他說道，「我不相信。但是我很高興看到他在努力解決這個難題，我相信我們都能從中學到很多。」
這種說法十分公允。畢竟，安伯托·艾柯說過：「翻譯是門失敗的藝術。」這次全新的「翻譯」會不會也是個失敗還尚未可知。最終，可能不只有一種語言能夠表達生命的複雜性，但是英格蘭想要嘗試嶄新的一種。他去年在《評論》（Commentary）雜誌中這樣說道：「不止有一種語言能夠描述這個世界，而上帝想要人們掌握所有。」
轉載請先聯繫newmedia@huanqiukexue.com。
《環球科學》5月號已上市，點擊文末閱讀原文即可進入微店購買。
※生命里，我用文字詮釋滋味
※專訪諾貝爾生理學獎得主厄溫·內爾：來自各個領域的方法都可以應用於生命科學研究
※原創情感美文：生命里那個沉默的他
※生命箴言
※貝爾納：科學管理整個社會生命
※用奮鬥詮釋生命（美文）
※諾貝爾科學家：轉基因食物挽救生命
※生命的絕唱 舒文
※植物激素：神奇的「生命編碼」
※生命宇宙論-萬物都是生命
※生命格言
※文摘 生命的回歸
※佛學美文-生命之重
※生命的格言
※華人諾獎得主朱棣文哈佛大學畢業演講：生命太短暫，不能空手過
※「用生命創造生命」一個名叫辛西婭的人造細胞
※中醫學是基於生命和人文的醫學
※《拆彈專家》：用生命保護生命
※給生命一個微笑的理由