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有关生命的新物理理论

2016-02-29
生命的新物理理论
有关生命的新物理理论
2016-02-29 Wolchover 赛先生

功能介绍 赛先生由百人传媒投资和创办。文小刚、刘克峰两位世界著名科学家担任主编。—— 上帝忘了给我们翅膀,于是,科学家带领我们飞翔。

31岁的MIT物理学家Jeremy England认为自己已经发现了推动生命起源和进化的潜在物理机理。

(图片来源:Katherine Taylor)

生命为什么存在?生命是如何产生的?流行的假说把它归功于一锅原始的混沌汤、一道闪电和一股巨大的运气。但是,如果我们能证明一个富有挑战的、新的物理理论是正确的,那生命的产生就绝不可能是靠运气。根据这位物理学家提出的新思想,生命的起源和进化遵从自然界的基本定律,就像石头必定滚下山坡一样毫不令人惊讶。从物理学的观点来看,有生命的东西和无生命的碳原子团块之间有一个本质的区别:前者往往更能够从环境中获取能量并以热量的形式将获取的能量耗散掉。(也就是说从环境中获取没有混乱度的纯能量,然后再把带有很多混乱度的能量,也就是热量,返还给环境,使自身混乱度降低,环境混乱度增加。生命就是一个通过能量传输,以增加环境混乱度为代价,而试图降低自己混乱度的过程)。31岁的麻省理工学院助理教授JeremyEngland推导出了一个数学公式,他认为这个公式可以解释这种能力。这个基于现有物理知识的公式表明,当一组原子被一种外部能量(如太阳或化学燃料)所驱动,并被一个热浴(如海洋或大气)所包围时,它将经常逐渐重组自身以便耗散更多的能量。(也就是说通过传输能量,尽量多的增加环境的混乱度。而能达到这一目的的自身结构,就可能对应于生命结构。)这也就意味着在某些条件下,物质不可阻挡地获取与生命相关的关键物理属性。——文小刚

作者 Natalie Wolchover
翻译 雨遇
校译 杨璐

生命为什么存在?

流行的假说把它归功于一锅原始的混沌汤,一道闪电和一股巨大的运气。但是,如果我们能证明最近出现的一个富有挑战的、新的物理理论是正确的,那生命的产生就绝不可能是靠运气。根据这位物理学家提出的新思想,生命的起源和进化遵从自然界的基本定律,就像石头必定滚下山坡一样毫不令人惊讶。

从物理学的观点来看,有生命的东西和无生命的碳原子团块之间有一个本质的区别:前者往往更能够从环境中获取能量并以热量的形式将获取的能量消耗掉。31岁的麻省理工学院助理教授Jeremy England最近(编注:原文发表于2014年1月)推导出一个数学公式,他认为这个公式可以解释这种能力。这个基于现有物理知识的公式表明,当一组原子被一种外部能量(如太阳或化学燃料)所驱动,并被一个热浴(如海洋或大气)所包围时,它将经常逐渐重组自身以便消散更多的能量。这也就意味着在某些条件下,物质不可阻挡地获取与生命相关的关键物理属性。

“从任意一堆随机原子出发,如果你用光照射它的时间足够长,最终可以得到一株植物,对于这样的结果你不应该感到太奇怪。”England说。

从寒地走灯藓(Plagiomnium affine)获得的细胞,其具有叶绿体和细胞器,它们通过捕捉阳光进行光合作用。(图片来源:Kristian Peters)

以自然选择为基础的达尔文的进化论,在基因和群体水平上对生命起源和进化进行了详尽的描述,England的理论对于达尔文进化论来说意味着支持,而不是取代。“我肯定不是说达尔文理论是错误的。”他解释道,“正相反,我想说的是从物理学的观点看,你可以说达尔文进化论是一个较为普遍的现象中的一个特例。”

他的这个思想在近来发表的一篇论文中有详细表述,并在他巡游世界各地多所大学的演讲中有更为详尽的阐述。这个思想已经在他的同事们之间引发了不少争议,有人觉得他的想法空洞无力,有人觉得这是一个潜在突破,还有人觉得两者兼而有之。

纽约大学的物理学教授Alexander Grosberg很早就一直跟踪England 的工作,他评价说,England已经迈出了“非常勇敢而重要的一步”。Grosberg说,这个“巨大的希望”指的是England已经发现了驱动生命起源和进化的物理机制。

美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)化学物理实验室的生物物理学家Attila Szabo,在一次会议上遇到England后,与其通信讨论他的理论。Szabo对England的理论评价说:“Jeremy几乎是我见过的最优秀的青年科学家,我完全被他的原创性思想迷住了。”

不过其他人,比如哈佛大学的化学、化学生物学和生物物理学教授Eugene Shakhnovich,对此并不信服。他说:“Jeremy的想法确实有趣且富有潜力,但在这一点上也是非常投机的,尤其是把它运用到解释生命现象时。”

总体来说,England的理论成果可以认为是有效的。只是他的阐释部分——即他的公式代表着自然界中包括生命现象在内的某一类现象背后的驱动力——还没有被证明。不过,已经有一些人在思考如何在实验室里检验这个阐释。

哈佛大学的物理学教授Mara Prentiss在了解了England的工作后,正考虑在实验上证明它。她说:“England在尝试一些完全不同的东西。作为一个多面手,我觉得他有着奇妙的想法。无论是对是错,它都非常值得研究。”

England的思想的中心要点是热力学第二定律,又称熵增加理论或“时间之箭”。热的东西变冷,气体在空气中扩散,打碎的鸡蛋会摊开但永远不会自己收拢;总之,随着时间的推移,能量趋向于分散或散开。熵正是这种倾向的量度,用以量化一个系统中粒子之间的能量如何驱散,以及在整个空间中这些粒子如何扩散。熵增加是一个简单的概率问题:与使能量聚集的方式相比,有更多的方式使能量耗散出去。这样,当一个系统中的粒子运动并相互作用时,通过概率,它们趋向于采用使能量分散的组织形态。最终,系统达到一个最大熵态,我们称之为“热力学平衡”(thermodynamic equilibrium),这时能量均匀分布。比如,一杯热咖啡最终会与它所处的房间达到同一温度。如果你不进行其他干涉,逆过程是不可能发生的。咖啡永远不会自发地再次变热,因为热能已经任意地扩散到房间里所有的原子上。把这些能量从房间的每个原子收集回来并集中到杯子里的原子上,可能性太低了。

这是Jeremy England 及其同事共同完成的一个计算机模拟结果。它展示了局限在粘滞流体中粒子系统的运动,其中青绿色微粒受振荡力的驱动。图中上图代表初始时微粒的状态,经过一段时间,初始微粒群在振荡力的作用下触发了颗粒之间更多键的形成,形成了下图的结构。(图片来源:Jeremy England)

尽管在一个隔离或封闭的系统中,熵一定是随时间增加的,但一个开放的系统通过大大增加它周围环境中的熵可以使其自身处于低熵状态──也就是说可以把能量不均匀地通过原子分散出去。1944年,伟大的量子物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)在他影响深远的专著《生命是什么》(What is Life?)中已经讨论过,生命过程必须是这样的。比如,植物吸收高能量的阳光,用它产生糖分,并将能量较低的红外光辐射出去。植物通过光合作用维持了其自身的内部结构从而避免了衰败,但由于耗散了阳光,宇宙的总熵增加了。

生命过程并没有突破热力学第二定律,但直到近期,物理学家仍然不能用热力学来解释生命最早为何会产生。在薛定谔的时代,他们只能解决处于平衡状态的封闭系统的热力学方程。上世纪60年代,比利时物理学家伊利亚·普里高津(Ilya Prigogine)在预测外部弱驱动源作用下的开放系统的运行过程上做出了巨大贡献,并因此获得了1977年的诺贝尔化学奖。不过对于远未达到热平衡,同时与外部环境连接,并在外部能量源驱动下的系统的行为,他的方法无法预测。

这种情况在上世纪90年代晚期有所改变,这主要是由于目前在马里兰大学工作的Chris Jarzynski和在劳伦斯伯克利国家实验室工作的Gavin Crooks的贡献。Jarzynski和Crooks指出,由热力学过程产生的熵,比如咖啡变冷的过程,对应于一个简单的比率:即原子在这一过程中向外扩散的概率除以与之相反的过程(即原子自发地收集热量使咖啡热起来)的概率。因为结果是熵增,所以这个比率也是大的:即系统的行为变得越来越不可逆转。这个简单又不失严谨的公式原则上可以适用于任何热力学过程,不论这个过程多快,也不论它离平衡态有多远。Grosberg说:“我们对远离平衡态的统计力学的理解得到了巨大的改善。”England曾在生物化学和物理学两方面都受过严格的训练,两年前他在MIT建立了自己的实验室,致力于将统计物理的新知识应用于生物学。

使用Jarzynski和Crooks的公式,England推导了一个广义的热力学第二定律,该定律适用于具有以下特征的粒子系统:这个系统处于外部能量源的强力驱动之下,比如被电磁波驱动,而且它可以向外部环境耗散热。这类系统包括所有有生命的东西。England后来证明了随着时间的推移,这些系统随着其不可逆性的增加如何演化。他说:“从这些公式很容易看出,进化结果趋向于达到那个会从外部驱动场中吸收和耗散更多能量所达到的状态。”这一发现具有直观意义:当粒子与外部驱动力共振或沿着驱动力方向运动时,粒子更趋向于耗散更多能量,并且在任何时候它们都更趋向于沿着被推动的方向运动而非其他方向。

“这意味着被某一温度的热浴,比如大气或者海洋,包围的原子团,随着时间的推移,应趋向于使自己与周围环境中的机械、电磁或化学的做功源越来越协调。”England解释说。

自我复制的球集群:根据哈佛大学的最新研究成果,在微球表面涂覆薄膜会导致其自发地形成一个被指定的结构,诸如一个多四面体(如图中红色表示),这一结构将进一步触发附近的球形成相同的结构。(图片来源:Jeremy England)

自我复制(self-replication或reproduction,生物学称之为生殖),这一过程驱动着地球上生命的进化。它是这样一种机制:在这一过程中,随着时间的推移,一个系统消耗的能量会越来越多。正如England说的,“增加耗散的一个好办法是复制更多的自己”。他在2013年9月发表于《化学物理学报》(The Journal of Chemical Physics)的一篇论文中,报道了RNA分子和细菌细胞在自我复制过程中发生能量耗散的理论最小量,这个量值与这些系统复制时耗散的实际值非常接近。他在论文中还指出,RNA(核酸)──许多科学家认为它担任着以DNA为基础的生命的先导──是一种特别廉价的建筑材料。他说,一旦RNA出现,生命进化被达尔文进化论控制也许就一点儿也不奇怪。

原始混沌汤、随机突变、地理、灾难性事件和无数其他因素的化学反应促成了地球上动植物群多样化的细节。不过根据England的理论,驱动整个过程的基本原则是由耗散驱动的物质适应性。

这一原则也适用于无生命的物质。“在由耗散驱动的适应性组织这个大帐篷下,我们去推测自然界中什么现象可以用它来解释,这是非常诱人的。”England说,“很多例子可能就在我们眼皮底下,但由于我们没有去寻找它们,所有还没有注意到。”

在非生命系统中,科学家已经观察到自我复制现象。根据加州大学伯克利分校Philip Marcus教授领导的研究小组在2013年8月在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表的研究结果,在急速旋转的流体中的漩涡可以从周围流体的剪切力中获取能量而自发地进行自我复制。哈佛大学应用数学和物理学教授Michael Brenner及其合作者曾在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)在线发表了一篇论文,呈现了微观结构自我复制理论模型和模拟过程。这些具有特殊涂层的微球集群通过拉拢附近的球形成相同的集群而消耗能量。Brenner说:“这与Jeremy的理论联系非常紧密。”

除了自我复制,更大的结构化组织是强驱动系统提高其耗散能量能力的另一种途径。例如,一株植物比一个非结构化的碳原子堆更有能力通过自身获取太阳能。因此,England说,在某些条件下,物质会发生自发的自组织。这种趋势可以解释许多有生命和无生命结构的内部秩序。“雪花、沙丘和湍流旋涡都具有这个特点,它们都是在一些耗散过程驱动的多粒子系统中显示出自身的图案结构,”他说,冷凝、风能和粘性阻力是这些特殊情况下的相关过程。

“他使我相信生命物质和非生命物质没有那么明显的区别,”康奈尔大学的生物物理学家Carl Franck在一封邮件中说,“当你考虑只涉及几个生物分子的化学电路那样小的系统时,England的想法给我留下的印象特别深刻。”

如果新理论是正确的,相同的物理机制不仅可以用来解释生命的起源,也可以解释自然界中许多其他图案化的结构是如何形成的。雪花、沙丘和在原行星盘(the protoplanetary disk)中自我复制的旋涡都可能是耗散驱动的适应理论的例证。(图片来源:Wilson Bentley)

England大胆的想法在未来几年将可能面临严密的检测。他用计算机模拟来检测他的这一理论,即粒子系统在消耗能量的过程中会调整自身结构使其变得更好。下一步将是在生命系统中进行实验。

在哈佛大学领导一个生物物理实验室的Prentiss说,England的理论可以通过比较具有不同突变的细胞并寻找细胞的能量消散量与它们的复制率之间的相关性来进行检测。“人们必须很仔细,因为任何突变都可能做很多事情,”她说。“但是,如果人们一直在很多不同的系统做这些实验,而且如果耗散与成功复制确实是相关的,那将意味着England的理论是正确的组织原则。”

Brenner说他希望把England的理论与他自己做的微球结构联系起来,去判断这个理论是否可以正确地预言某一个自我复制和自组装过程可能会发生。“这是科学上的一个基本问题。”他说。

许多研究者表示,拥有一个生命及其进化的首要原则将在结构形成和生物功能方面为研究人员提供更广阔的视野。牛津大学的生物物理学家Ard Louis在一封邮件中写到:“自然选择定律并不能解释某些特性”。这些特性包括基因表达的可遗传改变,即所谓的甲基化(methylation),它在自然选择的缺失下复杂性会增加,并且某些Louis最近研究过的分子会发生改变。

如果England的方法能够承受更多检测,它可以把那些为每一个适应过程寻求达尔文进化论解释的生物学家进一步解放出来,使他们可以更广泛地思考耗散驱动组织(dissipation-driven organization)方面的问题。比如,他们可能会发现,“一个生物显示特征X而非Y的原因也许不是由于X比Y更合适,而是由于物理约束使得X比Y更容易进化。”Louis说。

“人们常常陷入对个别问题的思考。”Prentiss说,无论England的想法是否能被严格证明为正确,“许多科学突破是由发散性思维带来的。”

原文地址

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



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本栏目主要介绍生命探索方面,包括生命起源、生命科学、生命现象、人类起源、有关生命的新物理理论等。特别关注有关人与生命的意义与生命的价值方面的研究。

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