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生命从何而来?这位物理“学霸”提出了挑战三观的理论

化学反应+能量=生命。杰里米·英格兰对其富有争议的生命起源假说进行了首轮实验,结果似乎表明,秩序可以“无中生有”。

文|造就

2013年,生物物理学家杰里米·英格兰(Jeremy England)提出的一种新理论掀起了波澜,他认为,生命的起源是热力学的必然结果。他推导的方程式表明,在一定条件下,原子团会自然而然地重组自身,以便消耗更多的能量,从而促进能量的持续耗散以及“熵”(即宇宙中无序状态)的增加。英格兰说,这种重组效应——他称之为“耗散驱动型适应性”——促进了包括生命体在内的复杂结构的进化。他在2014年接受采访时表示,生命的存在并不神秘,也不是凭运气,而是遵循着一般的物理学原理,“就像石头必定会朝山下滚一样,是意料之中的事情。”

此后,这位35岁的麻省理工学院副教授就一直在通过计算机模拟,验证自己的想法。这些研究中最重要的两项成果已于7月发表,分别刊登在《美国国家科学院学报》和《物理评论快报》上。两项计算机实验的结果似乎都对英格兰“耗散驱动型适应性”的总体观点提供了支持,不过,它对于破解现实中生命诞生的奥秘仍然停留在推测阶段。

“这显然是一项开创性的研究。”德国科隆大学统计物理学家、定量生物学家迈克尔·莱西格(Michael L ssig)如此评价《美国国家科学院学报》的那篇论文。这篇论文的作者还包括麻省理工博士后研究员乔丹·霍洛维茨(Jordan Horowitz)。

“这项案例研究只是针对一个小系统中的一组给定规则,所以,现在判断它能否被推而广之,可能有点为时过早。”莱西格说,“但显而易见,人们的兴趣在于,他们想知道这对生命来说意味着什么。”

该论文抛开了细胞和生物学的具体细节,描述了一种更简单的化学物质模拟系统,让异常结构有可能在其中自发出现——在英格兰看来,这种现象正是生命起源背后的驱动力量。

在论文提到的实验中,英格兰模拟的化学试剂包含了25种化学物质,这些物质相互之间发生着多种化学反应。化学试剂中的能量来源会促进或“迫使”这些物质之间发生反应,就好像阳光能促使大气中生成臭氧,或是化学燃料ATP(三磷酸腺苷)为细胞活动供能一样。从随机的初始化学物质浓度、反应速率以及“强迫性外力”(它决定了哪些反应能够得到外力增强以及得到多大程度的增强)开始,模拟的化学反应系统将不断演进,直至达到最终的稳定状态,或称“定点”。

麻省理工学院物理学副教授杰里米·英格兰认为,他找到了生命起源背后的物理学机制。

通常情况下,这样的系统会进入一种平衡状态,化学物质的浓度将达到平衡,正逆两个方向的反应也将达到平衡。这种趋于平衡的特点,就好比一杯咖啡会自然冷却到室温,这也是热力学第二定律中,最为人所熟知的结果——根据该定律,能量总是不断耗散,宇宙一直在熵增。

但是在英格兰的实验中,通过调整一些初始设定,模拟的化学反应系统会走上截然不同的方向:在这些情况下,系统演进到的“定点”远非平衡状态,而是会通过尽可能多地从环境中吸收能量,不断地将反应循环下去。英格兰和霍洛维茨在论文中写道,这些情况“或许可以被认为是系统与环境之间在进行明显的微调”,系统在其中找到了“极端热力学强迫的罕见状态”。

生命体也维持着“极端强迫”的稳定状态:我们是能量的超级消费者,我们为细胞内的反应提供动力时,需要消耗大量化学能量,使之发生降解,从而增加宇宙的熵值。英格兰正是通过一个更简单、更抽象的化学系统模拟了这种稳态行为。实验表明,这种稳定状态可以“立即出现,无需长时间的等待”,莱西格说——这说明,在现实世界中可以轻易达到这样的“定点”。

很多生物物理学家认为,在关于生命的真相中,也许至少有一部分是英格兰所说的那样。但是,英格兰是否找到了生命起源中最重要的一步,这在一定程度上取决于一个问题:生命的本质是什么?而对于这个问题,学界意见不一。

形式和功能

英格兰算是典型的学霸,他念过的名校包括哈佛、牛津、斯坦福和普林斯顿,最后在29岁时加入麻省理工从教。他认为,生命的本质是其原子成分的特殊排列。“想象一下,如果我对细菌的原子进行随机重排——我取出这些原子,全部进行标注,然后在空间中排列——那么我很可能得到一些垃圾。”他说,“(原子构件的)大多数排列不会产生细菌那样具有代谢功能的生命体。”

让一组原子“解除锁定”并消耗化学能量,这并不容易。要实现这种功能,原子必须以极不寻常的形式排列。英格兰称,一种“形式-功能”关系的存在“意味着环境天生带有一种挑战,让我们把系统的结构看成是两者的交会。”

但是,原子是怎样获得细菌的特定形式和功能,以及其消耗化学能量的最佳配置?其中的原理又是什么?英格兰推测,这是热力学作用在远离平衡状态系统(即耗散结构系统)中的自然结果。

诺贝尔奖得主、物理化学家伊利亚·普里高津(Ilya Prigogine)曾在上世纪60年代探索过类似的想法,但当时可用于验证其设想的方法很有限。

这种情况在上世纪90年代末发生了改变,当时,物理学家加文·克鲁克斯(Gavin Crooks)和克里斯·贾奇因斯基(Chris Jarzynski)提出了“涨落定理”,可用来量化某些物理过程相对于逆过程的发生概率。该定理让研究人员得以研究系统如何演进,即便那些系统是远离平衡状态的。亚利桑那州立大学理论物理学家、生命起源专家萨拉·沃克(Sara Walker)说,英格兰的“新颖角度”在于,他把涨落定理应用到了“与生命起源有关的问题上。

咖啡之所以冷却,是因为没有外力给它加热,但英格兰的计算表明,由外部能量驱动的原子团可以有不同表现:它们往往会利用那些能量,进行调整和重新排列,以便更好地吸收能量,并以热的形式耗散出去。英格兰的实验还显示,这种耗散能量的统计学趋势可能会促进自我复制。正如他在2014年所解释的,“耗散更多能量的一个好办法是复制出更多自己的副本。”在英格兰看来,生命及其形式与功能的非凡融合,乃是耗散驱动型适应性和自我复制的终极结果。

然而,即便有了涨落定理,早期地球或细胞内部的情况仍然太过复杂,我们无法通过基本原理做出预测。正因为此,这些想法才必须在简化的计算机模拟环境中进行测试,而模拟环境的目的就在于捕捉现实世界的风貌。

在发表于《物理评论快报》的论文中,英格兰与合著者模拟了一个由相互作用的粒子构成的系统。他们发现,随着时间的推移,该系统会增加能量吸收,方法就是通过形成和打破连接,以便更好地与驱动频率产生谐振。

更重要的在于,英格兰和霍洛维茨还模拟了一种具有挑战性的环境,使得系统需要特殊的配置才能把可用的能量来源利用起来,正如构成细菌的特殊原子排列让它能够代谢能量一样。英格兰等人认为,这种特殊的配置就是代表生命本质的形式-功能关系。

怎么解释信息处理?

专家表示,英格兰及其合作者的重要下一步将是,扩展他们的化学反应系统,以观察它是否仍旧可以重复之前的发现。此外,他们还可以让模拟不再那么抽象,办法就是根据早期地球原始化学环境(潮汐池或火山口附近)可能存在过的条件来调整化学物质浓度、反应速率和强迫性外力(但复制那种可以诞生生命的条件就要靠猜了)。

达特茅斯学院的工程学、物理学和微生物学教授拉胡尔·萨皮什卡尔(Rahul Sarpeshkar)表示:“如果这些抽象结构能够拥有一些具体的实例,那就棒极了。”

不过,哪怕我们可以在越来越偏向生命起源的环境设定中观察到稳定的“定点”,一些研究人员仍然认为,英格兰的总论点只能用来解释生命诞生的“必要而非充分”条件,因为它无法对被很多人视为生物系统真正标志的东西给出解释,即信息处理能力。从简单的趋化性(细菌向营养物质靠近或远离毒物的能力)到人际交往,接收环境的信息并做出回应是生物的基本能力。

沃克来认为,这把我们跟其他诸如木星大红斑之类的系统区分开来,后者也可以用英格兰的“耗散驱动型适应性”理论进行解释。“那是一种高度非平衡的耗散结构,至少已经存在了300年,它跟地球上现存已经演进了数十亿年的非平衡耗散结构有着很大的不同。”沃克如是说。

他还表示,要理解是什么把生命区分开来,“那需要一些明确的信息概念,使之能够超出非平衡耗散结构式的过程。”在她看来,对信息做出回应的能力是至关重要的。

冈纳瓦德纳指出,在生物的热力学特性和信息处理能力之外,它们还能存储自己的遗传信息并传递给后代。他说:“生命的起源不仅仅是结构的出现,而是一种特定动态的出现。这种结构不但要能够进行繁殖,还要能通过自身的特性来影响繁殖率。一旦具备了这两个条件,基本上就站在了达尔文式进化的起点。对生物学家来说,这就是生命的全部。” 对于英格兰的理论,生物学家希望得到更多的细节,它能不能解释“始祖细胞”是什么样的,以及遗传密码是如何产生的。

英格兰完全认同这些反驳和质疑。他也承认,自己的研究发现在这些话题上只能保持沉默。“现阶段来看,这些发现还不足以从生物学角度解释生命起源,甚至未必能解释生命从何而来。”他说道。

英格兰表示,他更倾向于认为在创造始祖生命的“工具包”中,“也许有更多的东西是可以免费获得的,然后可以利用达尔文式的进化机制来优化它。”

而生物学家萨皮什卡尔则倾向于把 “耗散驱动型适应性”看成是生命起源这场大戏的序幕。他说:“英格兰的研究展示出,只要你能够从环境中吸收能量,秩序就会自发出现并进行自我调节。”他指出,生物之后又发生了更多的进化,超出了英格兰和霍洛维茨提出的化学反应系统的范畴。“但这是关于生命最开始是如何出现的,也许是,秩序如何从无中生有。”

翻译 | 何无鱼;校对 | 其奇;来源 | Quanta

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