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科学家告诉我们，生命很可能起源于一碗热腾腾的汤。这碗汤里可是应有尽有，什么碳氢氧、岩浆、水、矿物质、有机物在里面混杂翻腾，感觉就像DT君昨天吃的海底捞。 然而生命如何在这碗汤中诞生？科学家却仍未能回答这个问题。 对于这一未解之谜，人们曾提出过无数理论猜想；有人说生命诞生于海底热泉，有人说其诞生于冰川深处，还有人说是闪电打出了第一波生命的火种。 而麻省理工副教授、生物物理学家Jeremy England却从另一个更宏观、更本质的角度看待这个问题，他从事该方面研究已有好几年。本次，他最新的理论模拟显示：生命的诞生并非是什么巧合，而是物理热力学演变的结果 ，就像山坡上的石头自然滚下一样必然。 图丨Jeremy England 他最新的两项模拟实验成果于本月被发表，刊登在《美国科学院学报》（Proceedings of the National Academy of Sciences ）和《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。 根据他提出的公式，在适当条件下，原子们会自然地重组自己的结构，以消耗更多的能量，并促进能量的不断分散——该过程满足热力学第二定律，使宇宙中熵只增不减。Jeremy England称这种结构重组效应为“消耗驱动适应效应”（dissipation-driven adaptation），并认为该效应促进了生物复杂结构的生成。 尽管科学家目前还不能被断言该理论的正确性，但这两次计算机模拟的结果似乎都支持了“消耗驱动适应效应”的预测。 德国科隆大学的统计物理学家和定量生物学家， Michael Lässig说：“这显然是一项具有开创性的研究。然而，因为它只是一个关于相对较小系统内一组特定规则的案例研究，所以现在就得出结论还为时尚早，但重要的是，要明白它对我们关于‘生命’的认识意味着什么。” 在《美国科学院学报》上刊载的论文中，Jeremy England抛开细胞和生物学上的细节，描述了一种更为简单的模拟化学系统。具体而言，该系统为一个由25种不同的化学物质构成的“大杂烩”，互相之间能以无数种方式进行反应。 “大杂烩”中的能量源促使了某些化学反应的产生，就像阳光触发大气中的臭氧生成，以及化学燃料ATP驱动细胞中的各种过程一样。模拟开始于一个随机的初始化学浓度，反应速率和能量源导致的强制反应会决定哪些反应会受外界影响以及它们所受影响的大小。这一“化学反应网络”会一直发展，直到它们达到稳定态或是一个特定的点（fixed point）为止。 一般情况下，系统通常会停止在热力学平衡状态下，其内各种化学物的浓度处于总体的均衡，正如室温下的热咖啡会逐渐冷却一样。这种向平衡状态转变的趋势源于热力学第二定律，即能量总在扩散，宇宙中的熵总在上升。 但在某些特殊的初始条件下，“化学反应网络”会朝着与“平衡态”相反的方向发展——反应循环将通过最大可能的收集环境中的能量而加剧。England将其称为“外部热力学强制机制”，并认为这是系统与其环境间明显微调（fine-tuning）的结果。 简而言之，一个正常的系统会朝着最混乱的情况随机发展；但在England的模拟中，系统仿佛“有目的性地”搜集能量，朝着搜集能量最多，而非最随机的情况发展了。 其实，活着的生物体就处于这样一种状态：我们是一种超级消费群体，会通过燃烧大量的化学能来为细胞反应提供动力，并“有目的性地”搜集能量，最终会增加宇宙中的熵。 Lässig说：“计算机在一个更为简单，抽象的化学系统中模拟这种状态，结果显示该状态几乎可以立即出现，不需要经过长时间的等待。” 在这种模拟中，构成生命的独特结构可能会自行从无序中产生。England 认为这就是生命起源的背后真相，但他对此表示：“这并不意味着这种特殊结构在任何情况下都能生成，该系统的变化过于复杂和非线性，因此我们无法预测系统下一刻会发生什么。” 而在《物理评论快报》上发表的论文中， England和他的合作者Tal Kachman以及麻省理工学院的Jeremy Owen模拟了一个相互作用的粒子系统。 他们发现系统会随着时间的流逝，通过形成和断开键来增加自己对能量的吸收，以便更好地与驱动频率（driving frequency）共振。England说：“这在某种意义上，比《美国科学院学报》上发表的论文中发现的化学反应网络结果更为重要。” 许多生物物理学家认为，Jeremy的想法可能会是现实的一部分。 但对于Jeremy是否解开了生命起源的神秘面纱：什么是生命的本质？ 学界意见不一。 图丨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 Jeremy England认为生命的本质源于分子的特殊排列，他在29岁进入MIT之前，曾在哈佛、牛津、斯坦福以及普林斯顿待过，被人们认为是一位典型的“神童”。他说：“我曾假想随机重组构成细菌的原子，我把它们全部标记，改变它们空间上的排列方式——但我能得到的可能只是一堆‘垃圾’，绝大多数（原子组件）的排列方式并不会产生细菌的代谢能力。” 一组原子要获得并燃烧化学能并不容易，原子必须以非常不寻常的形式排列。 根据England的说法，“系统中出现的结构会面临来自环境的挑战。” 但原子又是怎样演变至细菌的特定形式和功能，使自己消耗最大的能量？England 认为，这是向远离平衡点方向发展的热力学过程的自然结果。 热咖啡在室温下会冷却，是因为没有东西在给它加热，但England的计算表明，由外部能源驱动的原子团的表现则与此不同：它们会开始利用这些能源，对齐和重新排列原子结构，以便更好地吸收能量并将以热量的形式消耗能量。England表示，统计学上消耗能量的趋势可能会促进自我复制的发生。 他认为生命的形式和功能的非凡结合，可能源于对耗散驱动适应效应以及自我复制。 但是，即使微调的平衡点可以在越来越多的生命起始环境中被观察到，在解释生命起源的问题上，一些研究人员还是将Jeremy的论文总体视为“必要但不充分”，就像Walker所说的那样，它不能解释生物系统的一个标志性特征：它们所具备的信息处理能力。 从简单的趋化性（细菌迁移到营养浓度或远离毒物的能力）到人类的语言沟通，生命系统会接收并回应周围环境的信息。 Walker认为，这让我们得以区分生物系统与其他符合Jeremy“耗散驱动的适应理论”（例如木星的大红斑）的系统。她说：“这（木星大红斑）是一个高度非平衡的耗散结构，至少已经存在了300多年，它与现在地球上现存的数十亿年的非平衡耗散结构截然不同。认识生命的独特性，需要明确一些非平衡耗散结构类过程外的信息。” 她认为，信息处理能力是问题的关键：“我们需要化学反应网络可以在环境中形成，但之后向着远离起始环境的方向发展。” 生物除了独特的热力学性质和它们的信息处理能力外，还能设法存储自己的遗传信息并传递给后代。生命的起源不仅仅源自相应结构的出现，而是一种特定的过程，即达尔文学说（Darwinian）。生物开始复制构成生命的原子排列，以及它们开始影响自己的繁殖率。一旦达成这两个条件，系统基本上就正处于一种达尔文进化开始的状态，对于生物学家来说，这就是“生命起源”的全部过程。 哈佛大学化学与化学生物学教授， Eugene Shakhnovich曾监督Jeremy England的本科研究工作，他大大强调了他的前学生当下的研究与生物学问题之间的分歧。 Shakhnovich说“他在我的实验室开始了他的科学事业，我很清楚他的能力。Jeremy所做的工作，或许是关于简单抽象非平衡统计力学系统的有趣模拟。”他认为，生物学或生命起源或许只是“一种无聊的猜测”。 Sarpeshkar认为消散驱动适应效应是生命起源故事的开场白。他说：“Jeremy所展示的东西是，只要你能从环境中获取能量，你就会逐渐开始自我调节，秩序就会出现 。” 他指出，生命的本质，虽然与比Jeremy和Horowitz的化学反应网络多得多的东西有关。 但Jeremy和Horowitz在尝试解释生命最初是如何出现的，也许——秩序就是能自然地从混沌中出现。 编辑：Peter 参考：https://www.quantamagazine.org/first-support-for-a-physics-theory-of-life-20170726/ 本文由微信公众号“DeepTech深科技”（ID：mit-tr）授权转载 |
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