生命從何而來？這位「學霸」提出了挑戰三觀的理論

2013年，生物物理學家傑里米·英格蘭（Jeremy England）提出的一種新理論掀起了波瀾，他認為，生命的起源是熱力學的必然結果。

他推導的方程式表明，在一定條件下，原子團會自然而然地重組自身，以便消耗更多的能量，從而促進能量的持續耗散以及「熵」（即宇宙中無序狀態）的增加。

英格蘭說，這種重組效應——他稱之為「耗散驅動型適應性」——促進了包括生命體在內的複雜結構的進化。他在2014年接受採訪時表示，生命的存在並不神秘，也不是憑運氣，而是遵循著一般的物理學原理，「就像石頭必定會朝山下滾一樣，是意料之中的事情。」

此後，這位35歲的麻省理工學院副教授就一直在通過計算機模擬，驗證自己的想法。這些研究中最重要的兩項成果已於7月發表，分別刊登在《美國國家科學院學報》和《物理評論快報》上。兩項計算機實驗的結果似乎都對英格蘭「耗散驅動型適應性」的總體觀點提供了支持，不過，它對於破解現實中生命誕生的奧秘仍然停留在推測階段。

「這顯然是一項開創性的研究。」德國科隆大學統計物理學家、定量生物學家邁克爾·萊西格（Michael L?ssig）如此評價《美國國家科學院學報》的那篇論文。這篇論文的作者還包括麻省理工博士後研究員喬丹·霍洛維茨（Jordan Horowitz）。

「這項案例研究只是針對一個小系統中的一組給定規則，所以，現在判斷它能否被推而廣之，可能有點為時過早。」萊西格說，「但顯而易見，人們的興趣在於，他們想知道這對生命來說意味著什麼。」

該論文拋開了細胞和生物學的具體細節，描述了一種更簡單的化學物質模擬系統，讓異常結構有可能在其中自發出現——在英格蘭看來，這種現象正是生命起源背後的驅動力量。

在論文提到的實驗中，英格蘭模擬的化學試劑包含了25種化學物質，這些物質相互之間發生著多種化學反應。化學試劑中的能量來源會促進或「迫使」這些物質之間發生反應，就好像陽光能促使大氣中生成臭氧，或是化學燃料ATP（三磷酸腺苷）為細胞活動供能一樣。

從隨機的初始化學物質濃度、反應速率以及「強迫性外力」（它決定了哪些反應能夠得到外力增強以及得到多大程度的增強）開始，模擬的化學反應系統將不斷演進，直至達到最終的穩定狀態，或稱「定點」。

麻省理工學院物理學副教授傑里米·英格蘭認為，他找到了生命起源背後的物理學機制。

通常情況下，這樣的系統會進入一種平衡狀態，化學物質的濃度將達到平衡，正逆兩個方向的反應也將達到平衡。這種趨於平衡的特點，就好比一杯咖啡會自然冷卻到室溫，這也是熱力學第二定律中，最為人所熟知的結果——根據該定律，能量總是不斷耗散，宇宙一直在熵增。

但是在英格蘭的實驗中，在某些初始設定下，模擬的化學反應系統會走上截然不同的方向：在這些情況下，系統演進到的「定點」遠非平衡狀態，而是會通過儘可能多地從環境中吸收能量，不斷地將反應循環下去。

英格蘭和霍洛維茨在論文中寫道，這些情況「或許可以被認為是系統與環境之間在進行明顯的微調」，系統在其中找到了「極端熱力學強迫的罕見狀態」。

生命體也維持著「極端強迫」的穩定狀態：我們是能量的超級消費者，我們為細胞內的反應提供動力時，需要消耗大量化學能量，使之發生降解，從而增加宇宙的熵值。英格蘭正是通過一個更簡單、更抽象的化學系統模擬了這種穩態行為。

實驗表明，這種穩定狀態可以「立即出現，無需長時間的等待」，萊西格說——這說明，在現實世界中可以輕易達到這樣的「定點」。

很多生物物理學家認為，在關於生命的真相中，也許至少有一部分是英格蘭所說的那樣。但是，英格蘭是否找到了生命起源中最重要的一步，這在一定程度上取決於一個問題：生命的本質是什麼？

而對於這個問題，學界意見不一。

形式和功能

英格蘭算是典型的學霸，他念過的名校包括哈佛、牛津、斯坦福和普林斯頓，最後在29歲時加入麻省理工從教。他認為，生命的本質是其原子成分的特殊排列。

「想像一下，如果我對細菌的原子進行隨機重排——我取出這些原子，全部進行標註，然後在空間中排列——那麼我很可能得到一些垃圾。」他說，「（原子構件的）大多數排列不會產生細菌那樣具有代謝功能的生命體。」

讓一組原子「解除鎖定」並消耗化學能量，這並不容易。要實現這種功能，原子必須以極不尋常的形式排列。英格蘭稱，一種「形式-功能」關係的存在「意味著環境天生帶有一種挑戰，讓我們把系統的結構看成是兩者的交會。」

但是，原子是怎樣獲得細菌的特定形式和功能，以及其消耗化學能量的最佳配置？其中的原理又是什麼？英格蘭推測，這是熱力學作用在遠離平衡狀態系統（即耗散結構系統）中的自然結果。

諾貝爾獎得主、物理化學家伊利亞·普里高津（Ilya Prigogine）曾在上世紀60年代探索過類似的想法，但當時可用於驗證其設想的方法很有限。

這種情況在上世紀90年代末發生了改變，當時，物理學家加文·克魯克斯（Gavin Crooks）和克里斯·賈奇因斯基（Chris Jarzynski）提出了「漲落定理」，可用來量化某些物理過程相對於逆過程的發生概率。該定理讓研究人員得以研究系統如何演進，即便那些系統是遠離平衡狀態的。

亞利桑那州立大學理論物理學家、生命起源專家薩拉·沃克（Sara Walker）說，英格蘭的「新穎角度」在於，他把漲落定理應用到了「與生命起源有關的問題上。

咖啡之所以冷卻，是因為沒有外力給它加熱，但英格蘭的計算表明，由外部能量驅動的原子團可以有不同表現：它們往往會利用那些能量，進行調整和重新排列，以便更好地吸收能量，並以熱的形式耗散出去。英格蘭的實驗還顯示，這種耗散能量的統計學趨勢可能會促進自我複製。

正如他在2014年所解釋的，「耗散更多能量的一個好辦法是複製出更多自己的副本。」在英格蘭看來，生命及其形式與功能的非凡融合，乃是耗散驅動型適應性和自我複製的終極結果。

然而，即便有了漲落定理，早期地球或細胞內部的情況仍然太過複雜，我們無法通過基本原理做出預測。正因為此，這些想法才必須在簡化的計算機模擬環境中進行測試，而模擬環境的目的就在於捕捉現實世界的風貌。

在發表於《物理評論快報》的論文中，英格蘭與合著者模擬了一個由相互作用的粒子構成的系統。他們發現，隨著時間的推移，該系統會增加能量吸收，方法就是通過形成和打破連接，以便更好地與驅動頻率產生諧振。

更重要的在於，英格蘭和霍洛維茨還模擬了一種具有挑戰性的環境，使得系統需要特殊的配置才能把可用的能量來源利用起來，正如構成細菌的特殊原子排列讓它能夠代謝能量一樣。英格蘭等人認為，這種特殊的配置就是代表生命本質的形式-功能關係。

怎麼解釋信息處理？

專家表示，英格蘭及其合作者的重要下一步將是，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。

此外，他們還可以讓模擬不再那麼抽象，辦法就是根據早期地球原始化學環境（潮汐池或火山口附近）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（但哪一種條件下可以誕生生命就完全靠猜了）。

達特茅斯學院的工程學、物理學和微生物學教授拉胡爾·薩皮什卡爾（Rahul Sarpeshkar）表示：「如果這些抽象結構能夠擁有一些具體的實例，那就棒極了。」

不過，哪怕我們可以在越來越偏向生命起源的環境設定中觀察到穩定的「定點」，一些研究人員仍然認為，英格蘭的總論點只能用來解釋生命誕生的「必要而非充分」條件，因為它無法對被很多人視為生物系統真正標誌的東西給出解釋，即信息處理能力。從簡單的趨化性（細菌向營養物質靠近或遠離毒物的能力）到人際交往，接收環境的信息並做出回應是生物的基本能力。

沃克來認為，這把我們跟其他諸如木星大紅斑之類的系統區分開來，後者也可以用英格蘭的「耗散驅動型適應性」理論進行解釋。「那是一種高度非平衡的耗散結構，至少已經存在了300年，它跟地球上現存已經演進了數十億年的非平衡耗散結構有著很大的不同。」沃克如是說。

他還表示，要理解是什麼把生命區分開來，「那需要一些明確的信息概念，使之能夠超出非平衡耗散結構式的過程。」在她看來，對信息做出回應的能力是至關重要的。

岡納瓦德納指出，在生物的熱力學特性和信息處理能力之外，它們還能存儲自己的遺傳信息並傳遞給後代。

他說：「生命的起源不僅僅是結構的出現，而是一種特定動態的出現。這種結構不但要能夠進行繁殖，還要能通過自身的特性來影響繁殖率。一旦具備了這兩個條件，基本上就站在了達爾文式進化的起點。對生物學家來說，這就是生命的全部。」對於英格蘭的理論，生物學家希望得到更多的細節，它能不能解釋「始祖細胞」是什麼樣的，以及遺傳密碼是如何產生的。

英格蘭完全認同這些反駁和質疑。他也承認，自己的研究發現在這些話題上只能保持沉默。「現階段來看，這些發現還不足以從生物學角度解釋生命起源，甚至未必能解釋生命從何而來。」他說道。

英格蘭表示，他更傾向於認為在創造始祖生命的「工具包」中，「也許有更多的東西是可以免費獲得的，然後可以利用達爾文式的進化機制來優化它。」

而生物學家薩皮什卡爾則傾向於把 「耗散驅動型適應性」看成是生命起源這場大戲的序幕。他說：「英格蘭的研究展示出，只要你能夠從環境中吸收能量，秩序就會自發出現並進行自我調節。」

他指出，生物之後又發生了更多的進化，超出了英格蘭和霍洛維茨提出的化學反應系統的範疇。「但這是關於生命最開始是如何出現的，或者說，秩序如何從無中生有。」

翻譯：何無魚

來源：Quanta

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