【博科園-科學(xué)科普】理解生命的起源可以說(shuō)是人類(lèi)最迫切的任務(wù)之一。這一探索不可避免地超越了地球上的生命之謎——宇宙中的其他地方是否存在生命。地球上的生命是僥幸偶然的嗎？還是像宇宙法則一樣自然的生命？

杰里米·英格蘭是麻省理工學(xué)院的生物物理學(xué)家，他正在試圖回答這些深?yuàn)W的問(wèn)題。2013年他提出了一種假設(shè)，即物理學(xué)可能會(huì)自發(fā)地觸發(fā)化學(xué)物質(zhì)以“類(lèi)生命”的特質(zhì)來(lái)組織自己。

現(xiàn)在英國(guó)和一位同事的新研究表明，物理學(xué)可能會(huì)自然產(chǎn)生自我復(fù)制的化學(xué)反應(yīng)，這是人類(lèi)從無(wú)生命物質(zhì)中創(chuàng)造生命的第一步。這可能被解釋為生命源自于自然的基本法則，從而從等式中移除運(yùn)氣，但那是在跳槍。

生命必須來(lái)自于某種東西，或不總是生物學(xué)。生物從生而無(wú)生氣的化學(xué)成分中誕生，這些化學(xué)成分以某種方式將自己組織成益生菌的化合物，創(chuàng)造了生命的基石，形成了基本的微生物，最終進(jìn)化成今天在我們星球上存在的壯觀(guān)的生物。

非生物發(fā)生”指的是一些非生物的東西變成了生物，而英國(guó)人認(rèn)為熱力學(xué)可能會(huì)提供一個(gè)框架，在其他沒(méi)有生命的化學(xué)物質(zhì)中驅(qū)動(dòng)類(lèi)似生命的行為。然而這項(xiàng)研究并沒(méi)有把生物過(guò)程本身與物理系統(tǒng)的生命質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)。

我不會(huì)說(shuō)我做了任何事情來(lái)調(diào)查‘生命的起源，我認(rèn)為對(duì)我來(lái)說(shuō)有趣的是原則的證明——對(duì)生命的行為的生理要求是什么？

當(dāng)能量被應(yīng)用到一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，物理定律決定了能量是如何消散的。如果將外部熱源應(yīng)用于該系統(tǒng)，它就會(huì)隨著周?chē)h(huán)境的變化而消散并達(dá)到熱能平衡，就像桌子上的一杯冷卻咖啡一樣。熵，或者說(shuō)系統(tǒng)中的無(wú)序量，隨著熱量的消散而增加。但是一些物理系統(tǒng)可能已經(jīng)充分脫離了平衡，它們“自組織”以充分利用外部能源，觸發(fā)有趣的自我維持化學(xué)反應(yīng)，以阻止系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡，從而維持一種非平衡狀態(tài)，英國(guó)推測(cè)。(就好像那杯咖啡會(huì)自發(fā)產(chǎn)生一種化學(xué)反應(yīng)，維持液體中心的熱點(diǎn)，防止咖啡冷卻到平衡狀態(tài)。)他把這種情況稱(chēng)為“耗散驅(qū)動(dòng)的適應(yīng)”，而這種機(jī)制是在英格蘭其他沒(méi)有生命的物理系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)生命的品質(zhì)的動(dòng)力。

一個(gè)關(guān)鍵的類(lèi)似生命的行為是自我復(fù)制，或者(從生物學(xué)的觀(guān)點(diǎn))復(fù)制。這是所有生命的基礎(chǔ):它開(kāi)始簡(jiǎn)單，復(fù)制，變得更加復(fù)雜，再次復(fù)制。這種情況下，自我復(fù)制也是一種非常有效的消耗熱量和增加系統(tǒng)熵的方法。

在7月18日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)雜志上的一項(xiàng)研究中，英國(guó)和合著者Jordan Horowitz測(cè)試了他們的假設(shè)。他們?cè)谝粋€(gè)封閉系統(tǒng)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬(或者一個(gè)不與周?chē)h(huán)境交換熱量或物質(zhì)的系統(tǒng))，其中含有25種化學(xué)物質(zhì)的“湯”。

盡管它們的設(shè)置非常簡(jiǎn)單，但類(lèi)似的湯可能是在原始和沒(méi)有生命的地球表面聚集的。比方說(shuō)，如果這些化學(xué)物質(zhì)是由外部源(例如熱液噴口)濃縮和加熱的，那么化學(xué)物質(zhì)的池就需要根據(jù)熱力學(xué)第二定律來(lái)散熱。熱量必須消散，系統(tǒng)的熵不可避免地增加。

在一定的初始條件下，他發(fā)現(xiàn)這些化學(xué)物質(zhì)可以通過(guò)自組織和對(duì)自我復(fù)制的強(qiáng)烈反應(yīng)來(lái)優(yōu)化應(yīng)用于系統(tǒng)的能量。這些化學(xué)藥品很自然地進(jìn)行了微調(diào)。這些反應(yīng)產(chǎn)生熱量遵循熱力學(xué)第二定律;系統(tǒng)的熵會(huì)不斷增加，化學(xué)物質(zhì)會(huì)自我組織，并表現(xiàn)出自我復(fù)制的類(lèi)似生命的行為。

從本質(zhì)上講，這個(gè)系統(tǒng)嘗試了一些小規(guī)模的東西，一旦其中一個(gè)開(kāi)始經(jīng)歷積極的反饋，它就不會(huì)花那么長(zhǎng)時(shí)間來(lái)接管系統(tǒng)中的組織特征。這是生物學(xué)中一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模型:化學(xué)能量被燃燒在細(xì)胞中，這些細(xì)胞的本質(zhì)是平衡，驅(qū)動(dòng)維持生命的新陳代謝過(guò)程。但是，正如英國(guó)所承認(rèn)的，在虛擬的化學(xué)湯和生活本身中尋找生命的品質(zhì)是有很大區(qū)別的。

亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University)的理論物理學(xué)家、天體生物學(xué)家薩拉·伊米納·沃克(Sara Imari Walker)對(duì)此表示贊同，他沒(méi)有參與目前的研究。

有一個(gè)雙向的橋梁需要跨越，以試圖彌合生物學(xué)和物理；一個(gè)是了解你如何從簡(jiǎn)單的物理系統(tǒng)獲得生命的質(zhì)量，另一個(gè)是理解物理如何產(chǎn)生生命，你需要真正理解屬性都是獨(dú)特的生活和屬性特征的事情你考慮幾乎活著，像生命起源以前的系統(tǒng)。

地球之外的生命的出現(xiàn)？

在我們開(kāi)始回答這些簡(jiǎn)單的物理系統(tǒng)是否會(huì)影響宇宙其他地方生命出現(xiàn)的大問(wèn)題之前，最好先了解這些系統(tǒng)在地球上的存在。令人印象深刻的細(xì)菌或其他聚合酶和DNA，我的工作還沒(méi)有告訴我們?nèi)魏侮P(guān)于如何簡(jiǎn)單或困難是使復(fù)雜的東西,所以我不應(yīng)該猜測(cè)我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)比地球的其他地方(聚合酶是合成DNA和RNA的蛋白質(zhì))。

這項(xiàng)研究并沒(méi)有明確指出生物系統(tǒng)是如何從非生物系統(tǒng)中產(chǎn)生的，只是在一些復(fù)雜的化學(xué)環(huán)境中，令人驚訝的自我組織發(fā)生了。這些模擬不考慮其他類(lèi)似生命的品質(zhì)，例如適應(yīng)環(huán)境或?qū)Υ碳さ姆磻?yīng)。此外德國(guó)科隆大學(xué)的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)家和定量生物學(xué)家邁克爾·拉西格(Michael Lassig)說(shuō)：這個(gè)封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)測(cè)試并不考慮信息復(fù)制在生命起源中的作用。

這項(xiàng)研究確實(shí)是對(duì)非平衡化學(xué)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)引人注目的結(jié)果，但它距離物理學(xué)解釋生命起源的過(guò)程還有很長(zhǎng)的一段路要走，這需要信息的復(fù)制。在生活系統(tǒng)中，信息有一個(gè)關(guān)鍵的作用。僅僅因?yàn)橛幸环N化學(xué)物質(zhì)的湯表現(xiàn)出自然的自我組織，它并不一定意味著生活的組織。

我們必須經(jīng)歷很多中間階段，從簡(jiǎn)單的訂購(gòu)到擁有一個(gè)完整的信息處理架構(gòu)，就像一個(gè)活細(xì)胞，需要像記憶和遺傳這樣的東西。我們可以清楚地得到物理和非平衡系統(tǒng)的秩序，但這并不一定會(huì)使它成為現(xiàn)實(shí)。

專(zhuān)家說(shuō)說(shuō)英國(guó)的工作可能是生命起源的“確鑿證據(jù)”，這是不成熟的，還有許多其他的假設(shè)，關(guān)于生命如何從虛無(wú)中崛起。但這是一個(gè)關(guān)于物理系統(tǒng)如何在自然中自我組織的令人著迷的見(jiàn)解?，F(xiàn)在研究人員對(duì)這個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的行為有了一個(gè)大致的概念，這將是一個(gè)很好的下一步，來(lái)確定自然發(fā)生在地球上的完全不平衡的物理系統(tǒng)。