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有關生命的新物理理論

2016-02-29
生命的新物理理論
有關生命的新物理理論
2016-02-29 Wolchover 賽先生

功能介紹 賽先生由百人傳媒投資和創辦。文小剛、劉克峰兩位世界著名科學家擔任主編。—— 上帝忘了給我們翅膀,于是,科學家帶領我們飛翔。

31歲的MIT物理學家Jeremy England認為自己已經發現了推動生命起源和進化的潛在物理機理。

(圖片來源:Katherine Taylor)

生命為什么存在?生命是如何產生的?流行的假說把它歸功于一鍋原始的混沌湯、一道閃電和一股巨大的運氣。但是,如果我們能證明一個富有挑戰的、新的物理理論是正確的,那生命的產生就絕不可能是靠運氣。根據這位物理學家提出的新思想,生命的起源和進化遵從自然界的基本定律,就像石頭必定滾下山坡一樣毫不令人驚訝。從物理學的觀點來看,有生命的東西和無生命的碳原子團塊之間有一個本質的區別:前者往往更能夠從環境中獲取能量并以熱量的形式將獲取的能量耗散掉。(也就是說從環境中獲取沒有混亂度的純能量,然后再把帶有很多混亂度的能量,也就是熱量,返還給環境,使自身混亂度降低,環境混亂度增加。生命就是一個通過能量傳輸,以增加環境混亂度為代價,而試圖降低自己混亂度的過程)。31歲的麻省理工學院助理教授JeremyEngland推導出了一個數學公式,他認為這個公式可以解釋這種能力。這個基于現有物理知識的公式表明,當一組原子被一種外部能量(如太陽或化學燃料)所驅動,并被一個熱浴(如海洋或大氣)所包圍時,它將經常逐漸重組自身以便耗散更多的能量。(也就是說通過傳輸能量,盡量多的增加環境的混亂度。而能達到這一目的的自身結構,就可能對應于生命結構。)這也就意味著在某些條件下,物質不可阻擋地獲取與生命相關的關鍵物理屬性。——文小剛

作者 Natalie Wolchover
翻譯 雨遇
校譯 楊璐

生命為什么存在?

流行的假說把它歸功于一鍋原始的混沌湯,一道閃電和一股巨大的運氣。但是,如果我們能證明最近出現的一個富有挑戰的、新的物理理論是正確的,那生命的產生就絕不可能是靠運氣。根據這位物理學家提出的新思想,生命的起源和進化遵從自然界的基本定律,就像石頭必定滾下山坡一樣毫不令人驚訝。

從物理學的觀點來看,有生命的東西和無生命的碳原子團塊之間有一個本質的區別:前者往往更能夠從環境中獲取能量并以熱量的形式將獲取的能量消耗掉。31歲的麻省理工學院助理教授Jeremy England最近(編注:原文發表于2014年1月)推導出一個數學公式,他認為這個公式可以解釋這種能力。這個基于現有物理知識的公式表明,當一組原子被一種外部能量(如太陽或化學燃料)所驅動,并被一個熱浴(如海洋或大氣)所包圍時,它將經常逐漸重組自身以便消散更多的能量。這也就意味著在某些條件下,物質不可阻擋地獲取與生命相關的關鍵物理屬性。

“從任意一堆隨機原子出發,如果你用光照射它的時間足夠長,最終可以得到一株植物,對于這樣的結果你不應該感到太奇怪。”England說。

從寒地走燈蘚(Plagiomnium affine)獲得的細胞,其具有葉綠體和細胞器,它們通過捕捉陽光進行光合作用。(圖片來源:Kristian Peters)

以自然選擇為基礎的達爾文的進化論,在基因和群體水平上對生命起源和進化進行了詳盡的描述,England的理論對于達爾文進化論來說意味著支持,而不是取代。“我肯定不是說達爾文理論是錯誤的。”他解釋道,“正相反,我想說的是從物理學的觀點看,你可以說達爾文進化論是一個較為普遍的現象中的一個特例。”

他的這個思想在近來發表的一篇論文中有詳細表述,并在他巡游世界各地多所大學的演講中有更為詳盡的闡述。這個思想已經在他的同事們之間引發了不少爭議,有人覺得他的想法空洞無力,有人覺得這是一個潛在突破,還有人覺得兩者兼而有之。

紐約大學的物理學教授Alexander Grosberg很早就一直跟蹤England 的工作,他評價說,England已經邁出了“非常勇敢而重要的一步”。Grosberg說,這個“巨大的希望”指的是England已經發現了驅動生命起源和進化的物理機制。

美國國立衛生研究院(National Institutes of Health)化學物理實驗室的生物物理學家Attila Szabo,在一次會議上遇到England后,與其通信討論他的理論。Szabo對England的理論評價說:“Jeremy幾乎是我見過的最優秀的青年科學家,我完全被他的原創性思想迷住了。”

不過其他人,比如哈佛大學的化學、化學生物學和生物物理學教授Eugene Shakhnovich,對此并不信服。他說:“Jeremy的想法確實有趣且富有潛力,但在這一點上也是非常投機的,尤其是把它運用到解釋生命現象時。”

總體來說,England的理論成果可以認為是有效的。只是他的闡釋部分——即他的公式代表著自然界中包括生命現象在內的某一類現象背后的驅動力——還沒有被證明。不過,已經有一些人在思考如何在實驗室里檢驗這個闡釋。

哈佛大學的物理學教授Mara Prentiss在了解了England的工作后,正考慮在實驗上證明它。她說:“England在嘗試一些完全不同的東西。作為一個多面手,我覺得他有著奇妙的想法。無論是對是錯,它都非常值得研究。”

England的思想的中心要點是熱力學第二定律,又稱熵增加理論或“時間之箭”。熱的東西變冷,氣體在空氣中擴散,打碎的雞蛋會攤開但永遠不會自己收攏;總之,隨著時間的推移,能量趨向于分散或散開。熵正是這種傾向的量度,用以量化一個系統中粒子之間的能量如何驅散,以及在整個空間中這些粒子如何擴散。熵增加是一個簡單的概率問題:與使能量聚集的方式相比,有更多的方式使能量耗散出去。這樣,當一個系統中的粒子運動并相互作用時,通過概率,它們趨向于采用使能量分散的組織形態。最終,系統達到一個最大熵態,我們稱之為“熱力學平衡”(thermodynamic equilibrium),這時能量均勻分布。比如,一杯熱咖啡最終會與它所處的房間達到同一溫度。如果你不進行其他干涉,逆過程是不可能發生的。咖啡永遠不會自發地再次變熱,因為熱能已經任意地擴散到房間里所有的原子上。把這些能量從房間的每個原子收集回來并集中到杯子里的原子上,可能性太低了。

這是Jeremy England 及其同事共同完成的一個計算機模擬結果。它展示了局限在粘滯流體中粒子系統的運動,其中青綠色微粒受振蕩力的驅動。圖中上圖代表初始時微粒的狀態,經過一段時間,初始微粒群在振蕩力的作用下觸發了顆粒之間更多鍵的形成,形成了下圖的結構。(圖片來源:Jeremy England)

盡管在一個隔離或封閉的系統中,熵一定是隨時間增加的,但一個開放的系統通過大大增加它周圍環境中的熵可以使其自身處于低熵狀態──也就是說可以把能量不均勻地通過原子分散出去。1944年,偉大的量子物理學家埃爾溫·薛定諤(Erwin Schrödinger)在他影響深遠的專著《生命是什么》(What is Life?)中已經討論過,生命過程必須是這樣的。比如,植物吸收高能量的陽光,用它產生糖分,并將能量較低的紅外光輻射出去。植物通過光合作用維持了其自身的內部結構從而避免了衰敗,但由于耗散了陽光,宇宙的總熵增加了。

生命過程并沒有突破熱力學第二定律,但直到近期,物理學家仍然不能用熱力學來解釋生命最早為何會產生。在薛定諤的時代,他們只能解決處于平衡狀態的封閉系統的熱力學方程。上世紀60年代,比利時物理學家伊利亞·普里高津(Ilya Prigogine)在預測外部弱驅動源作用下的開放系統的運行過程上做出了巨大貢獻,并因此獲得了1977年的諾貝爾化學獎。不過對于遠未達到熱平衡,同時與外部環境連接,并在外部能量源驅動下的系統的行為,他的方法無法預測。

這種情況在上世紀90年代晚期有所改變,這主要是由于目前在馬里蘭大學工作的Chris Jarzynski和在勞倫斯伯克利國家實驗室工作的Gavin Crooks的貢獻。Jarzynski和Crooks指出,由熱力學過程產生的熵,比如咖啡變冷的過程,對應于一個簡單的比率:即原子在這一過程中向外擴散的概率除以與之相反的過程(即原子自發地收集熱量使咖啡熱起來)的概率。因為結果是熵增,所以這個比率也是大的:即系統的行為變得越來越不可逆轉。這個簡單又不失嚴謹的公式原則上可以適用于任何熱力學過程,不論這個過程多快,也不論它離平衡態有多遠。Grosberg說:“我們對遠離平衡態的統計力學的理解得到了巨大的改善。”England曾在生物化學和物理學兩方面都受過嚴格的訓練,兩年前他在MIT建立了自己的實驗室,致力于將統計物理的新知識應用于生物學。

使用Jarzynski和Crooks的公式,England推導了一個廣義的熱力學第二定律,該定律適用于具有以下特征的粒子系統:這個系統處于外部能量源的強力驅動之下,比如被電磁波驅動,而且它可以向外部環境耗散熱。這類系統包括所有有生命的東西。England后來證明了隨著時間的推移,這些系統隨著其不可逆性的增加如何演化。他說:“從這些公式很容易看出,進化結果趨向于達到那個會從外部驅動場中吸收和耗散更多能量所達到的狀態。”這一發現具有直觀意義:當粒子與外部驅動力共振或沿著驅動力方向運動時,粒子更趨向于耗散更多能量,并且在任何時候它們都更趨向于沿著被推動的方向運動而非其他方向。

“這意味著被某一溫度的熱浴,比如大氣或者海洋,包圍的原子團,隨著時間的推移,應趨向于使自己與周圍環境中的機械、電磁或化學的做功源越來越協調。”England解釋說。

自我復制的球集群:根據哈佛大學的最新研究成果,在微球表面涂覆薄膜會導致其自發地形成一個被指定的結構,諸如一個多四面體(如圖中紅色表示),這一結構將進一步觸發附近的球形成相同的結構。(圖片來源:Jeremy England)

自我復制(self-replication或reproduction,生物學稱之為生殖),這一過程驅動著地球上生命的進化。它是這樣一種機制:在這一過程中,隨著時間的推移,一個系統消耗的能量會越來越多。正如England說的,“增加耗散的一個好辦法是復制更多的自己”。他在2013年9月發表于《化學物理學報》(The Journal of Chemical Physics)的一篇論文中,報道了RNA分子和細菌細胞在自我復制過程中發生能量耗散的理論最小量,這個量值與這些系統復制時耗散的實際值非常接近。他在論文中還指出,RNA(核酸)──許多科學家認為它擔任著以DNA為基礎的生命的先導──是一種特別廉價的建筑材料。他說,一旦RNA出現,生命進化被達爾文進化論控制也許就一點兒也不奇怪。

原始混沌湯、隨機突變、地理、災難性事件和無數其他因素的化學反應促成了地球上動植物群多樣化的細節。不過根據England的理論,驅動整個過程的基本原則是由耗散驅動的物質適應性。

這一原則也適用于無生命的物質。“在由耗散驅動的適應性組織這個大帳篷下,我們去推測自然界中什么現象可以用它來解釋,這是非常誘人的。”England說,“很多例子可能就在我們眼皮底下,但由于我們沒有去尋找它們,所有還沒有注意到。”

在非生命系統中,科學家已經觀察到自我復制現象。根據加州大學伯克利分校Philip Marcus教授領導的研究小組在2013年8月在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發表的研究結果,在急速旋轉的流體中的漩渦可以從周圍流體的剪切力中獲取能量而自發地進行自我復制。哈佛大學應用數學和物理學教授Michael Brenner及其合作者曾在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)在線發表了一篇論文,呈現了微觀結構自我復制理論模型和模擬過程。這些具有特殊涂層的微球集群通過拉攏附近的球形成相同的集群而消耗能量。Brenner說:“這與Jeremy的理論聯系非常緊密。”

除了自我復制,更大的結構化組織是強驅動系統提高其耗散能量能力的另一種途徑。例如,一株植物比一個非結構化的碳原子堆更有能力通過自身獲取太陽能。因此,England說,在某些條件下,物質會發生自發的自組織。這種趨勢可以解釋許多有生命和無生命結構的內部秩序。“雪花、沙丘和湍流旋渦都具有這個特點,它們都是在一些耗散過程驅動的多粒子系統中顯示出自身的圖案結構,”他說,冷凝、風能和粘性阻力是這些特殊情況下的相關過程。

“他使我相信生命物質和非生命物質沒有那么明顯的區別,”康奈爾大學的生物物理學家Carl Franck在一封郵件中說,“當你考慮只涉及幾個生物分子的化學電路那樣小的系統時,England的想法給我留下的印象特別深刻。”

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)中自我復制的旋渦都可能是耗散驅動的適應理論的例證。(圖片來源:Wilson Bentley)

England大膽的想法在未來幾年將可能面臨嚴密的檢測。他用計算機模擬來檢測他的這一理論,即粒子系統在消耗能量的過程中會調整自身結構使其變得更好。下一步將是在生命系統中進行實驗。

在哈佛大學領導一個生物物理實驗室的Prentiss說,England的理論可以通過比較具有不同突變的細胞并尋找細胞的能量消散量與它們的復制率之間的相關性來進行檢測。“人們必須很仔細,因為任何突變都可能做很多事情,”她說。“但是,如果人們一直在很多不同的系統做這些實驗,而且如果耗散與成功復制確實是相關的,那將意味著England的理論是正確的組織原則。”

Brenner說他希望把England的理論與他自己做的微球結構聯系起來,去判斷這個理論是否可以正確地預言某一個自我復制和自組裝過程可能會發生。“這是科學上的一個基本問題。”他說。

許多研究者表示,擁有一個生命及其進化的首要原則將在結構形成和生物功能方面為研究人員提供更廣闊的視野。牛津大學的生物物理學家Ard Louis在一封郵件中寫到:“自然選擇定律并不能解釋某些特性”。這些特性包括基因表達的可遺傳改變,即所謂的甲基化(methylation),它在自然選擇的缺失下復雜性會增加,并且某些Louis最近研究過的分子會發生改變。

如果England的方法能夠承受更多檢測,它可以把那些為每一個適應過程尋求達爾文進化論解釋的生物學家進一步解放出來,使他們可以更廣泛地思考耗散驅動組織(dissipation-driven organization)方面的問題。比如,他們可能會發現,“一個生物顯示特征X而非Y的原因也許不是由于X比Y更合適,而是由于物理約束使得X比Y更容易進化。”Louis說。

“人們常常陷入對個別問題的思考。”Prentiss說,無論England的想法是否能被嚴格證明為正確,“許多科學突破是由發散性思維帶來的。”

原文地址

https://www.quantamagazine.org/20140122-a-new-physics-theory-of-life/



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本欄目主要介紹生命探索方面,包括生命起源、生命科學、生命現象、人類起源、有關生命的新物理理論等。特別關注有關人與生命的意義與生命的價值方面的研究。

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