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随机粒子,何以缔造生命?

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  Quanta Magazine

  利维坦按:

  或许我们都想过这个问题:这个星球上的生命,何以“无中生有”?换言之,一团随机混乱的粒子,究竟为何能够形成特定有序的生命体?今天文章中的这位生物物理学家,据说9岁就已通读霍金《时间简史》,29岁入麻省理工从教。在他看来,生命的起源是热力学的必然结果——他将其称之为“耗散驱动型适应性” (文中栅栏两侧的例子可以比较形象地理解该理论) 。英格兰理论的独特之处在于将物理学定律应用在了生物学上:进化只不过是符合物理定律的一种合理结果。如果他的理论被验证属实,那么将其成为达尔文第二也还真不过分。

  耗散适应的核心是热力学第二定律,又称熵增定律,即孤立系统的熵永不自动减少,熵在可逆过程中不变,在不可逆过程中增加。尽管孤立系统中的熵随时间推移而增加,但在开放系统中,却可以通过大大增加环境的熵来实现原子间不均匀地分配能量,使系统的熵保持在低水平

  “想象一种语言即想象一种生命形式。”

  ——维特根斯坦《哲学研究》(1953)

  杰里米·英格兰(Jeremy England)很注重词语的选择 — 它们的含义,它们所涵盖的范围。他会刻意避免使用“意识”和“信息”这类词语:它们的含义太冗杂了,且十分不牢靠,英格兰说。在寻找合适的语言来表达时,他的声音停顿了一下,在跨越一两个八度之后又恢复了以往的流畅和响亮。

  

  生物物理学家杰里米·英格兰。 Quanta Magazine

  他的谨慎是可以理解的。这位34岁(原文写于2016年,译者注)的麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)物理学助理教授创立了一项名为“耗散适应”(dissipative adaptation)的新理论,它解释了复杂的类生命功能是如何由简单物质(包括无机质)自我组织并进化的。这一命题让英格兰收获了一个不怎么受欢迎的绰号:第二个查尔斯·达尔文。但英格兰的故事既关乎生命也关乎语言。

  现今世界上正在使用的语言多达6800种。并不是每个词语都得到了准确的翻译,一些含义在不同语言相互转换时丢失了。例如,日语中的wabi-sabi(侘寂,一种以接受短暂和不完美为核心的日式美学)和德语中的waldeinsamkeit(独自在树林中的凄寂之感)在英语中并没有对应的单词。

  不同的科学领域相当于不同的语言系统,所以科学解释有时等同于一种翻译过程。例如,“红色”的翻译是“620-750纳米的波长”,“温度”的翻译是“一组粒子的平均速度”。译文越复杂,所表达的含义也就越多,“引力”即表示“时空几何”。

  那么生命呢?我们看到它时自认为了解它,达尔文的理论甚至可以解释一种生命形式是如何进化为另一种的。但既然知更鸟和石头都遵循同样的物理定律时,他们又有什么区别呢?换句话说,物理学是如何阐释生命的?有人认为“生命”无法阐释,但也许它只是需要一个正确的译者。

  当其他12岁的男孩们还在看漫威漫画时,英格兰已经开始读《遗传学卡通入门指南》(The Cartoon Guide to Genetics)了。这本书的封面描绘了一名潜水员与真人大小的水下DNA链的相遇,书中讲的则是从核糖体到植物性别等基础生物知识,这立刻激起了英格兰的兴趣。

  “我觉得这太不可思议了,分子们居然可以各自完成自己的职能。”英格兰热情洋溢地说,手不停地比划着,头上还戴着一顶犹太帽。

  他举了个DNA聚合酶的例子,用生物学术语来说,它的工作是通过组装由化学碱基、糖和磷酸组成的核苷酸来创造新的DNA分子。“当理解了面前的故事之后,你会觉得一切都有了意义—它们看起来就像是在完成一个目标,”英格兰说,“然而,这些物质与无机物几乎没有区别。如果你把它们打碎成小片,它们就只能旋转和震动了。

  在哈佛大学读本科期间,他与生物物理学家尤金·萨科诺维奇(Eugene Shakhnovich)一起进行对蛋白质折叠的研究,发现了更多类似的情况。蛋白质数据库中存储了许多详细的“优美的带状和片状物”,都按属性用颜色进行了编码。解开来看,每个蛋白质都由相同的20个氨基酸组成,然而,一旦这些蛋白质折叠成型,它们就能执行维持生命所必需的特定功能。

  “氨基酸虽然不能给你写一首十四行诗,”英格兰说,“但当上百个氨基酸连成一串时,你会发现,一个看起来像有特别用途的机器就这样形成了。”

  维特根斯坦认为,一个词的含义取决于它存在的语境,而语境是由应用它的人决定的。

  

  Flipboard

  不知何故,在盲目转动的齿轮中,某种类似“意志”的东西出现了。每个单独的部分都只是遵循基础的物理法则,但当它们聚集在一起之后就能产生特定的功能。

  物理学界似乎没有关于“功能”的概念:时间与空间并不因某种原因而存在,它们只是存在而已。在生物学界,系统需要不断调整来运动、催化和合成。“功能”这个词摇摆在生命体和非生命体之间,那么,它究竟是我们人为赋予仅仅看起来是有生命的物体的,还是其与生俱来的?正如英格兰2014年在瑞典卡罗林斯卡医学院(Sweden’s Karolinska Institutet)告诉听众的那样,物理学并不区分生命体和非生命体,但在生物学中却有此概念。

  在获得博士学位之后,英格兰来到普林斯顿大学做研究。他有时会开车去纽约拜访一位主修哲学的老朋友。这位朋友会带他去下东区自己最爱的一些地方,和他长谈英国籍奥地利哲学家路德维希·维特根斯坦(Ludwig Wittgenstein)。

  维特根斯坦在挪威的森林里过了一段孤独的生活(正如上文提及的德语waldeinsamkeit),他写过所谓的“语言游戏”,也就是一些语言规范。一些哲学家认为,一个词的含义源自于这个世界上存在的物理对象。而维特根斯坦认为,一个词的含义取决于它的语境,而语境是由应用它的人决定的。

  玩语言游戏有点像用密码说话—如果两人参加一场双方都能理解的的活动,那么他们可以用更少、更简单的词语来让对方明白。音乐家、政治家、科学家等不同群体的人都需要通过语言游戏来满足各自的需求,新的语言游戏在不断产生,语言的含义改变着形态,而词汇也在不断适应这种变化。

  “朋友用我可以理解的内容阐释了这个观点,此外,《希伯来圣经》(Hebrew Bible)也给予了我很大的帮助。”英格兰说道。

  “起初,上帝创造了天地......”这句话中的“创造”在希伯来语中是bara,“天”是shamayim,“地”是aretz,但英格兰说,这三个词的实际含义只有跟下文的语境联系在一起时才能体现出来。

  例如,“创造”这个词bara意为给事物命名的过程,那么创造世界就是创造一种语言游戏。“神说,要有光,于是就有了光。”上帝在说出光的名字之后才创造了光。“这句话我们已经听过很多次了,以至于真正开始思考这句话时,往往容易忘记它最简单的含义,”英格兰说,“让我们看见这个世界的光,来自于我们口中谈论的光。”英格兰认为,如果你想尝试用物理语言来描述生物学的话,这一点可能很重要。

  他其实是别无选择的。作为麻省理工学院的一名青年科研人员,他既不想停止研究生物学,也不想放弃理论物理学。“如果你拒绝放弃你很感兴趣但却存在分歧的两样东西,”他说,“那么你就必须学会在两者之间进行翻译。”

  

  两种太阳能设备:一棵树和一块太阳能电池板都能吸收并转化太阳能,然后将热量释放到它们周围的环境中。物理学家会怎样解释只有树是生命体呢? Shutterstock

  在犹太人的传统中,奇迹并非一定是违背自然规律。它并没有那么夸张——相反,奇迹只是一种在过去被认为不可能发生的现象现在发生了而已。奇迹的目击者往往需要重新构建之前的假设来解决矛盾,简而言之,他们必须从一个新的视角来观察这个世界。

  对于一个精通统计力学的物理学家来说,生命就是奇迹。热力学第二定律表明,在一个封闭的系统中—比如盒子里的气体,或是作为一个整体的宇宙—混乱程度会随时间的推移而增加。雪可以融化成一滩水,但一滩水不会自发地聚集成雪花。如果你看到了水坑变成雪花,你一定认为自己在看一部倒放的电影,就像时间倒流一样。热力学第二定律使大量原子的行为具有不可逆性,因此我们才会有“过去”、“现在”和“未来”。

  时间的箭头指向无序的方向。然而,生命的箭头却指向相反的方向。从一粒暗淡无光的种子长成结构复杂的花朵,从毫无生机的土地里长出茂密的森林,为何支配“生命”原子的法则与支配宇宙中其他原子的法则会如此不同呢?

  

  时间的箭头指向无序的方向。然而,生命的箭头却指向相反的方向。 Tenor

  1944年,物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrdinger)在一本名为《生命是什么?》(What is Life?)的书中解释了这个问题。他认识到,生命体与盒子中封闭的气体不同,前者是一个开放的系统。也就是说,生命体允许自身与更大的环境之间进行能量转化。生命体在维持其内部秩序的同时,也会将自身损失的热量释放到环境中,使得宇宙的熵整体增加,这与热力学第二定律相一致。

  蛋白质和酶的生成比我们想象得更容易。

  与此同时,薛定谔又指出了第二个谜题。他说,产生时间箭头和生命箭头的机制一定是不同的,时间箭头来自于对大量原子的统计——当你有足够多的混乱原子在周围旋转时,其中无序排列会比有序排列多得多,所以这些原子形成有序状态的几率为零。但对于生命来说,即使在显微镜下观察,原子也是排列有序且不可逆的,因为参与其中的原子很少。

  在这种条件下,原子不会大量聚集,也就不会产生像热力学第二定律那样的规律。例如,生命的基本组成成分、RNA和DNA的构成单位——核苷酸,仅由30个原子组成。然而,薛定谔注意到,遗传密码可以保存地如此完好简直不可思议,有时甚至能够以“近乎奇迹的持久力”延续数百万代。

  那么,基因是如何抵御衰退的?脆弱的原子结构又是如何做到不崩溃的呢?这其中一定有比统计学更深奥的原理在起作用,它使得少量原子能够自力更生地完成不可逆过程并最终成为鲜活的生命。

  半个世纪后,线索出现了,一位名叫加文·克鲁克斯(Gavin Crooks)的英国化学家第一次用数学方法解释了微观不可逆性。在1999年发表的文章中,克鲁克斯用一个公式说明,一个由外部能源驱动的小型开放系统只要在变化的同时不断耗散自身能量,就可以发生不可逆的改变。

  (journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.60.2721)

  

  英格兰和他的同事用计算机模拟了一个粒子系统,这个系统被限制在一种粘性流体中,在这种流体中,绿色粒子受到振荡力的驱动。随着时间的推移(从左到右) ,这个力触发了粒子间更多的键的形成。 Jeremy England

  想象你站在栅栏前,你想到达它的另一边,但栅栏太高了跳不过去,你的朋友递给你一个弹簧高跷,你可以利用它跳到栅栏的另一边。但当到达另一边之后,你仍可以用弹簧高跷再次跳过栅栏,回到一开始的地方。外部的能量源(弹簧高跷)帮你做出改变,但这一改变是可逆的。

  现在想象一下,你的朋友递给你的是喷气背包,而不是弹簧高跷。你点燃背包并翻越栅栏。在你越过栅栏的同时,喷气背包耗尽了燃料并将燃料释放到空气中,所以当你着陆时,背包里已经没有足够的能量让你再次越过栅栏,你被困在了另一边,此时你的改变便是不可逆的。

  克鲁斯克证明,一组原子同样可以利用外界能量将自身转变为新的结构—就像是跨越栅栏。如果原子在转变过程中耗散了能量,那么这个过程将是不可逆的。它们通常会利用另一波能量爆发转变回来,但有时它们会借助下一波能量爆发转变成一种全新的状态,不断消耗自身能量并一步一步地改变自己。就这样,能量耗散不一定是不可逆的,但不可逆过程一定会产生能量的耗散。

  克鲁克斯得出的结论具有普遍性,适用于任何一个平衡系统的转变,可能也包括生命。但英格兰说:“对于一个内部存在大量耗散活动的大型混乱多体系统而言,我们在解释该问题时应该更加谨慎。这些结论看起来似乎是对的,但实际计算起来可能很难操作。”

  2013年,英格兰在加利福尼亚理工学院做演讲期间,他一直在宾馆房间里研究克鲁克斯方程的变量。从克鲁克斯方程可以清晰地看出,如果要达到生命的特征不可逆性,那么一个系统必须很擅长吸收和耗散热量。但英格兰知道这并不是全部事实。

  “这就像在同一个基点附近徘徊,”他说,“然后你暂时放下它去睡觉,开始思考其他的事情。当你再回过头来看时,就会发现问题的突破口。随着时间的流逝,你会开始接受不同的事物。”

  最终,他恍然大悟。假如某些特殊排列的原子会比其他原子更善于吸收和消耗某种特定的能量源,这些原子的排列就更容易进行不可逆转变。随着时间的推移,如果某些系统相对来说更适合这个过程,那么一系列不可逆的转变就会成为一种自我运行的合成作用。英格兰用铅笔在纸上写下了在考虑系统耗散历史条件下的热力学第二定律概论,该定律阐明了生命结构和功能的起源。在去年年底发表的一篇论文中,他解释说:

  “虽然系统中任何既定的改变大多数都是随机的,但当系统恰巧可以更好地吸收和耗散能量时,最持久的不可逆转变就会产生。随着时间流逝,这些不可逆变化被优先积累了下来,于是在耗散发生时系统更倾向于形成类似的构型。回顾这一非平衡过程的可能形成历史,我们会发现这一结构已经自我组织成一种可以很好地适应环境条件的状态,这就是耗散适应现象。”

  (www.nature.com/articles/nnano.2015.250)

  一个原子系统自然不会尝试做任何事情,它只是盲目地、随机地改变自己。然而,在从一种形态到另一种形态的转变过程中,伴随一系列化学变化,这种自我组织构成某种形态的过程,对我们来说就是“适应”。

  维特根斯坦说:“语言是座迷宫。”对英格兰来说,这个“翻译”是正确的。物理学是如何阐释生命的呢?英格兰称之为“耗散适应”。

  

  Jon Han

  尽管这个理论听起来就像我们陷入了太阳能冷却塔,但它的意义远不止如此。达尔文的自然选择学说可以被重新定义为耗散适应这一更为普遍的现象中的一个特例,就像是一种基本语言的方言。自然选择是宏观上的自我复制,而耗散适应发生在微观世界里,且自我复制是一种消耗和耗散能量的好方式。在耗散适应的语言中,像“适应度”(Fitness)这样的词有了新的含义。

  东北大学(Northeastern University)的物理学助理教授梅尼·瓦努努(Meni Wanunu)说:“适应度并不是由最理想的机能定义的,而是指系统与环境中可用能量的‘互让’关系。”当系统耗散能量时,它会像不可逆的方向发生变化,并因此成为了“特例”,用英格兰的话来说就是不完美的或不理想的。“鸟类并不是世界上最适合飞行的物种,”他说,“它们只是比石头和昆虫更适合飞行而已。

  这一理论让我们不得不重新思考那些让生命变得如此特别的功能,英格兰说:“在能够发挥功能的地方,我们才拥有灵活性。”在没有任何高度协调性的情况下,从一系列弱相互作用粒子中出现复杂功能的过程,可以被分解成若干个由外界驱动的小型不可逆转变。

  蛋白质和酶的生成,比我们想象得更容易。“它们可能不是在漫长的自我复制过程中精心挑选出的氨基酸序列,”英格兰说,“可能只是为了更快地自我组织。如果我们能让自己相信,生命之初看起来更像是一段指向正确的斜坡或楼梯,在进化的过程中高度不断增加,那么这至少能够改变我们的思考方向。

  

  自我复制的微粒簇:根据哈佛大学的最新研究,在微粒表面涂色可以使它们自发地组成某个结构,比如一个四面体(红色) ,然后触发附近的微粒形成一个相同的结构。 Michael Brenner/National Academy of Sciences

  这项理论不仅帮助我们回顾过去,还提出了新的设计和工程学方法。“如果只是模仿生命体所做的事情,也许就不必像我想象的那样去模仿复杂的生命体本身了”。英格兰及其实验室成员目前正在研究的“突现计算”(emergent computation)可以算作一个例子,他们的目标是让粒子系统在不接受任何设计指令的情况下,进化出一种“预测”环境改变的能力。毕竟要想在一个波动的环境中更好地吸收和耗散能量,需要一定程度的预测能力。

  英格兰说:“如果实验成功,那么我们的研究问题就会变为粒子系统是如何基于过去的统计数据来调整相互作用力,对未来进行有效计算的。”这可能会影响到一切基于预测能力的技术,不论是神经网络的运行还是告诉我们何时买机票的自动程序。

  这就是“翻译”惊人的力量。如果实验成功,那么它将成为耗散适应最好的证明。目前,瓦努努对此持保留态度:“英格兰提出了一系列新的要素,但实验的过程才是最有趣且吸引人的。”哈佛大学系统生物学副教授杰里米·古纳瓦德纳(Jeremy Gunawardena)也不完全赞同这种方法:“英格兰想要避免考虑化学因素,而把生命起源的抽象本质归结为物理的必然性,我不相信。但他能努力解决这个问题很好,并且我们一定能从中学到很多。”

  这一评论足够公允,毕竟,翁贝托·艾柯(Umberto Eco)说过:“翻译是一门失败的艺术。”这次全新的“翻译”是否以失败告终还尚未可知,归根结底,可能有不止一种语言能够诠释生命的复杂性,但英格兰想让我们体验一种崭新的。去年,他在《评论》(Commentary)杂志中说:“描述世界的语言不止一种,上帝希望人类能掌握所有。

  文/Allison Eck

  译/钠钾

  校对/兔子的凌波微步

  原文/nautil.us/issue/34/adaptation/how-do-you-say-life-in-physics

  本文基于创作共同协议(BY-NC),由钠钾在利维坦发布

  文章仅为作者观点,未必代表利维坦立场

  

  

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