化學(xué)反應(yīng)+能量=生命。杰里米·英格蘭對(duì)其富有爭(zhēng)議的生命起源假說(shuō)進(jìn)行了首輪實(shí)驗(yàn)，結(jié)果似乎表明，秩序可以“無(wú)中生有”。

2013年，生物物理學(xué)家杰里米·英格蘭（Jeremy England）提出的一種新理論掀起了波瀾，他認(rèn)為，生命的起源是熱力學(xué)的必然結(jié)果。

他推導(dǎo)的方程式表明，在一定條件下，原子團(tuán)會(huì)自然而然地重組自身，以便消耗更多的能量，從而促進(jìn)能量的持續(xù)耗散以及“熵”（即宇宙中無(wú)序狀態(tài)）的增加。

英格蘭說(shuō)，這種重組效應(yīng)——他稱之為“耗散驅(qū)動(dòng)型適應(yīng)性”——促進(jìn)了包括生命體在內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的進(jìn)化。他在2014年接受采訪時(shí)表示，生命的存在并不神秘，也不是憑運(yùn)氣，而是遵循著一般的物理學(xué)原理，“就像石頭必定會(huì)朝山下滾一樣，是意料之中的事情?！?/p>

此后，這位35歲的麻省理工學(xué)院副教授就一直在通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，驗(yàn)證自己的想法。

這些研究中最重要的兩項(xiàng)成果已于7月發(fā)表，分別刊登在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》和《物理評(píng)論快報(bào)》上。兩項(xiàng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果似乎都對(duì)英格蘭“耗散驅(qū)動(dòng)型適應(yīng)性”的總體觀點(diǎn)提供了支持，不過(guò)，它對(duì)于破解現(xiàn)實(shí)中生命誕生的奧秘仍然停留在推測(cè)階段。

“這顯然是一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的研究?！钡聡?guó)科隆大學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)家、定量生物學(xué)家邁克爾·萊西格（Michael L?ssig）如此評(píng)價(jià)《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》的那篇論文。這篇論文的作者還包括麻省理工博士后研究員喬丹·霍洛維茨（Jordan Horowitz）。

“這項(xiàng)案例研究只是針對(duì)一個(gè)小系統(tǒng)中的一組給定規(guī)則，所以，現(xiàn)在判斷它能否被推而廣之，可能有點(diǎn)為時(shí)過(guò)早?！比R西格說(shuō)，“但顯而易見(jiàn)，人們的興趣在于，他們想知道這對(duì)生命來(lái)說(shuō)意味著什么。”

該論文拋開(kāi)了細(xì)胞和生物學(xué)的具體細(xì)節(jié)，描述了一種更簡(jiǎn)單的化學(xué)物質(zhì)模擬系統(tǒng)，讓異常結(jié)構(gòu)有可能在其中自發(fā)出現(xiàn)——在英格蘭看來(lái)，這種現(xiàn)象正是生命起源背后的驅(qū)動(dòng)力量。

在論文提到的實(shí)驗(yàn)中，英格蘭模擬的化學(xué)試劑包含了25種化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)相互之間發(fā)生著多種化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)試劑中的能量來(lái)源會(huì)促進(jìn)或“迫使”這些物質(zhì)之間發(fā)生反應(yīng)，就好像陽(yáng)光能促使大氣中生成臭氧，或是化學(xué)燃料ATP（三磷酸腺苷）為細(xì)胞活動(dòng)供能一樣。從隨機(jī)的初始化學(xué)物質(zhì)濃度、反應(yīng)速率以及“強(qiáng)迫性外力”（它決定了哪些反應(yīng)能夠得到外力增強(qiáng)以及得到多大程度的增強(qiáng)）開(kāi)始，模擬的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)將不斷演進(jìn)，直至達(dá)到最終的穩(wěn)定狀態(tài)，或稱“定點(diǎn)”。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)副教授杰里米·英格蘭認(rèn)為，他找到了生命起源背后的物理學(xué)機(jī)制。

通常情況下，這樣的系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入一種平衡狀態(tài)，化學(xué)物質(zhì)的濃度將達(dá)到平衡，正逆兩個(gè)方向的反應(yīng)也將達(dá)到平衡。這種趨于平衡的特點(diǎn)，就好比一杯咖啡會(huì)自然冷卻到室溫，這也是熱力學(xué)第二定律中，最為人所熟知的結(jié)果——根據(jù)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(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整一些初始設(shè)定，模擬的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)會(huì)走上截然不同的方向：在這些情況下，系統(tǒng)演進(jìn)到的“定點(diǎn)”遠(yuǎn)非平衡狀態(tài)，而是會(huì)通過(guò)盡可能多地從環(huán)境中吸收能量，不斷地將反應(yīng)循環(huán)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(rèn)為是系統(tǒng)與環(huán)境之間在進(jìn)行明顯的微調(diào)”，系統(tǒng)在其中找到了“極端熱力學(xué)強(qiáng)迫的罕見(jiàn)狀態(tài)”。

生命體也維持著“極端強(qiáng)迫”的穩(wěn)定狀態(tài)：我們是能量的超級(jí)消費(fèi)者，我們?yōu)榧?xì)胞內(nèi)的反應(yīng)提供動(dòng)力時(shí)，需要消耗大量化學(xué)能量，使之發(fā)生降解，從而增加宇宙的熵值。英格蘭正是通過(guò)一個(gè)更簡(jiǎn)單、更抽象的化學(xué)系統(tǒng)模擬了這種穩(wěn)態(tài)行為。實(shí)驗(yàn)表明，這種穩(wěn)定狀態(tài)可以“立即出現(xiàn)，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間的等待”，萊西格說(shuō)——這說(shuō)明，在現(xiàn)實(shí)世界中可以輕易達(dá)到這樣的“定點(diǎn)”。

很多生物物理學(xué)家認(rèn)為，在關(guān)于生命的真相中，也許至少有一部分是英格蘭所說(shuō)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于一個(gè)問(wèn)題：生命的本質(zhì)是什么？

而對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，學(xué)界意見(jiàn)不一。

形式和功能

英格蘭算是典型的學(xué)霸，他念過(guò)的名校包括哈佛、牛津、斯坦福和普林斯頓，最后在29歲時(shí)加入麻省理工從教。他認(rèn)為，生命的本質(zhì)是其原子成分的特殊排列。“想象一下，如果我對(duì)細(xì)菌的原子進(jìn)行隨機(jī)重排——我取出這些原子，全部進(jìn)行標(biāo)注，然后在空間中排列——那么我很可能得到一些垃圾。”他說(shuō)，“（原子構(gòu)件的）大多數(shù)排列不會(huì)產(chǎn)生細(xì)菌那樣具有代謝功能的生命體。”

讓一組原子“解除鎖定”并消耗化學(xué)能量，這并不容易。要實(shí)現(xiàn)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(guān)系的存在“意味著環(huán)境天生帶有一種挑戰(zhàn)，讓我們把系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看成是兩者的交會(huì)。”

但是，原子是怎樣獲得細(xì)菌的特定形式和功能，以及其消耗化學(xué)能量的最佳配置？其中的原理又是什么？英格蘭推測(cè)，這是熱力學(xué)作用在遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)系統(tǒng)（即耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)）中的自然結(jié)果。

諾貝爾獎(jiǎng)得主、物理化學(xué)家伊利亞·普里高津（Ilya Prigogine）曾在上世紀(jì)60年代探索過(guò)類似的想法，但當(dāng)時(shí)可用于驗(yàn)證其設(shè)想的方法很有限。

這種情況在上世紀(jì)90年代末發(fā)生了改變，當(dāng)時(shí)，物理學(xué)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(lái)量化某些物理過(guò)程相對(duì)于逆過(guò)程的發(fā)生概率。該定理讓研究人員得以研究系統(tǒng)如何演進(jìn)，即便那些系統(tǒng)是遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的。亞利桑那州立大學(xué)理論物理學(xué)家、生命起源專家薩拉·沃克（Sara Walker）說(shuō)，英格蘭的“新穎角度”在于，他把漲落定理應(yīng)用到了“與生命起源有關(guān)的問(wèn)題上。

咖啡之所以冷卻，是因?yàn)闆](méi)有外力給它加熱，但英格蘭的計(jì)算表明，由外部能量驅(qū)動(dòng)的原子團(tuán)可以有不同表現(xiàn)：它們往往會(huì)利用那些能量，進(jìn)行調(diào)整和重新排列，以便更好地吸收能量，并以熱的形式耗散出去。英格蘭的實(shí)驗(yàn)還顯示，這種耗散能量的統(tǒng)計(jì)學(xué)趨勢(shì)可能會(huì)促進(jìn)自我復(fù)制。

正如他在2014年所解釋的，“耗散更多能量的一個(gè)好辦法是復(fù)制出更多自己的副本?！?strong>在英格蘭看來(lái)，生命及其形式與功能的非凡融合，乃是耗散驅(qū)動(dòng)型適應(yīng)性和自我復(fù)制的終極結(jié)果。

然而，即便有了漲落定理，早期地球或細(xì)胞內(nèi)部的情況仍然太過(guò)復(fù)雜，我們無(wú)法通過(guò)基本原理做出預(yù)測(cè)。正因?yàn)榇?，這些想法才必須在簡(jiǎn)化的計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，而模擬環(huán)境的目的就在于捕捉現(xiàn)實(shí)世界的風(fēng)貌。

在發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的論文中，英格蘭與合著者模擬了一個(gè)由相互作用的粒子構(gòu)成的系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，該系統(tǒng)會(huì)增加能量吸收，方法就是通過(guò)形成和打破連接，以便更好地與驅(qū)動(dòng)頻率產(chǎn)生諧振。

更重要的在于，英格蘭和霍洛維茨還模擬了一種具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，使得系統(tǒng)需要特殊的配置才能把可用的能量來(lái)源利用起來(lái)，正如構(gòu)成細(xì)菌的特殊原子排列讓它能夠代謝能量一樣。英格蘭等人認(rèn)為，這種特殊的配置就是代表生命本質(zhì)的形式-功能關(guān)系。

怎么解釋信息處理？

專家表示，英格蘭及其合作者的重要下一步將是，擴(kuò)展他們的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，以觀察它是否仍舊可以重復(fù)之前的發(fā)現(xiàn)。此外，他們還可以讓模擬不再那么抽象，辦法就是根據(jù)早期地球原始化學(xué)環(huán)境（潮汐池或火山口附近）可能存在過(guò)的條件來(lái)調(diào)整化學(xué)物質(zhì)濃度、反應(yīng)速率和強(qiáng)迫性外力（但復(fù)制那種可以誕生生命的條件就要靠猜了）。

達(dá)特茅斯學(xué)院的工程學(xué)、物理學(xué)和微生物學(xué)教授拉胡爾·薩皮什卡爾（Rahul Sarpeshkar）表示：“如果這些抽象結(jié)構(gòu)能夠擁有一些具體的實(shí)例，那就棒極了?！?/p>

不過(guò)，哪怕我們可以在越來(lái)越偏向生命起源的環(huán)境設(shè)定中觀察到穩(wěn)定的“定點(diǎn)”，一些研究人員仍然認(rèn)為，英格蘭的總論點(diǎn)只能用來(lái)解釋生命誕生的“必要而非充分”條件，因?yàn)樗鼰o(wú)法對(duì)被很多人視為生物系統(tǒng)真正標(biāo)志的東西給出解釋，即信息處理能力。從簡(jiǎn)單的趨化性（細(xì)菌向營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)靠近或遠(yuǎn)離毒物的能力）到人際交往，接收環(huán)境的信息并做出回應(yīng)是生物的基本能力。

沃克來(lái)認(rèn)為，這把我們跟其他諸如木星大紅斑之類的系統(tǒng)區(qū)分開(kāi)來(lái)，后者也可以用英格蘭的“耗散驅(qū)動(dòng)型適應(yīng)性”理論進(jìn)行解釋?！澳鞘且环N高度非平衡的耗散結(jié)構(gòu)，至少已經(jīng)存在了300年，它跟地球上現(xiàn)存已經(jīng)演進(jìn)了數(shù)十億年的非平衡耗散結(jié)構(gòu)有著很大的不同?！蔽挚巳缡钦f(shuō)。

他還表示，要理解是什么把生命區(qū)分開(kāi)來(lái)，“那需要一些明確的信息概念，使之能夠超出非平衡耗散結(jié)構(gòu)式的過(guò)程?！痹谒磥?lái)，對(duì)信息做出回應(yīng)的能力是至關(guān)重要的。

岡納瓦德納指出，在生物的熱力學(xué)特性和信息處理能力之外，它們還能存儲(chǔ)自己的遺傳信息并傳遞給后代。

他說(shuō)：“生命的起源不僅僅是結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，而是一種特定動(dòng)態(tài)的出現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)不但要能夠進(jìn)行繁殖，還要能通過(guò)自身的特性來(lái)影響繁殖率。一旦具備了這兩個(gè)條件，基本上就站在了達(dá)爾文式進(jìn)化的起點(diǎn)。對(duì)生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，這就是生命的全部?！?/strong>對(duì)于英格蘭的理論，生物學(xué)家希望得到更多的細(xì)節(jié)，它能不能解釋“始祖細(xì)胞”是什么樣的，以及遺傳密碼是如何產(chǎn)生的。

英格蘭完全認(rèn)同這些反駁和質(zhì)疑。他也承認(rèn)，自己的研究發(fā)現(xiàn)在這些話題上只能保持沉默?！艾F(xiàn)階段來(lái)看，這些發(fā)現(xiàn)還不足以從生物學(xué)角度解釋生命起源，甚至未必能解釋生命從何而來(lái)?！彼f(shuō)道。

英格蘭表示，他更傾向于認(rèn)為在創(chuàng)造始祖生命的“工具包”中，“也許有更多的東西是可以免費(fèi)獲得的，然后可以利用達(dá)爾文式的進(jìn)化機(jī)制來(lái)優(yōu)化它。”

而生物學(xué)家薩皮什卡爾則傾向于把 “耗散驅(qū)動(dòng)型適應(yīng)性”看成是生命起源這場(chǎng)大戲的序幕。他說(shuō)：“英格蘭的研究展示出，只要你能夠從環(huán)境中吸收能量，秩序就會(huì)自發(fā)出現(xiàn)并進(jìn)行自我調(diào)節(jié)?！彼赋?，生物之后又發(fā)生了更多的進(jìn)化，超出了英格蘭和霍洛維茨提出的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的范疇。“但這是關(guān)于生命最開(kāi)始是如何出現(xiàn)的，也許是，秩序如何從無(wú)中生有?！?/strong>

翻譯：何無(wú)魚(yú)

來(lái)源：Quanta

造就：劇院式的線下演講平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)最有創(chuàng)造力的思想