用物理学阐释生命

作者: 艾利森·艾克

来源: 环球科学

发布日期: 2016-05-26 11:27:36

本文通过杰里米·英格兰的“耗散适应”理论,探讨了如何用物理学解释生命的复杂性。文章详细介绍了英格兰的研究背景、理论提出的过程以及该理论对生命起源和进化的影响,强调了科学解释如同语言翻译的重要性。

想象一种语言就是想象一种生活方式。考虑到词汇的含义以及它们所能表达的深意,杰里米·英格兰非常注重措辞。他避免使用“意识”或“信息”这样的词,他觉得这太意味深长了,所以反而不可靠。在他考虑合适的措辞时,他的嗓音甚至会出现小小的破音,随后才再次恢复流畅。

这位34岁的麻省理工学院物理学助理教授提出了一项叫做“耗散适应”的新理论,来诠释复杂的生命体是如何由无机质这样的简单物质进化出来并完成自我组织功能的。这个理论让英格兰获得了一个他不怎么喜欢的称号:“第二个查尔斯·达尔文”。但英格兰的故事在探讨生命的同时也与语言相关。

不同的科学领域也相当于不同的语言描述系统,所以科学解释有时候就相当于一种翻译。

比如“红色”是指“620~750纳米的波长”,“温度”是指“粒子的平均速度”。这种翻译越复杂,所传达的含义也就越多,比如“引力”即是“时空几何”。那么生命呢?我们看到生命时能够感受到它的存在,达尔文的理论甚至能够解释不同生命形式间的进化。但既然知更鸟和石头都遵循相同的物理法则,它们之间又有什么区别呢?或者说,我们如何用物理来解释“生命”?

当大多数男孩还在看漫威漫画时,12岁的英格兰已经开始阅读《遗传学卡通入门》了。这本书的封面画的是一名潜水员正在进入真人大小的水底DNA中,书里介绍的则是从核糖体到植物性别的基础生物内容。英格兰马上就对这着了迷。在哈佛大学读本科期间,他师从生物物理学家尤金·萨科诺维奇进行蛋白质折叠的研究,发现了更多类似的情况。

不知为何,这些原本茫然转动的齿轮之中诞生了“使命感”。单独的每个零件都仅仅遵循基础的物理定律,但他们聚合起来时就能产生一定的功能。物理学世界中似乎没有“功能”这种说法:时空从不因某种原因而存在,它只是存在而已,但在生物学里,系统需要不断调整来起到运动、催化或是合成作用。“功能”这个词将生命体与非生命体区分开来,那么它究竟是我们人为赋予有生命的物体的,还是它们与生俱来的?

英格兰获得博士学位后来到普林斯顿大学做博士后研究,他有时会开车到纽约拜访一位主修哲学的旧友。这位朋友会带他到下东区自己最爱的去处,和他一起长谈英国籍奥地利哲学家路德维希·维特根斯坦。维特根斯坦有很长一段时间独自住在挪威的森林里,写些“语言游戏”或是研究语言规范。

对于精通统计力学的物理学家而言,生命就是个奇迹。热力学第二定律表明,在封闭系统的条件下,混乱度会随时间而增加。雪会融化成一滩水,但一滩水绝不会自发地聚集成雪花。如果你真的看到水变成了雪花,那你肯定以为自己在看电影回放,这就像时间倒流一样。热力学第二定律使得大量原子颗粒的行为都具有不可逆性,所以我们才会有“过去”、“现在”和“将来”这些词汇。

1944年,物理学家埃尔温·薛定谔在他的著作《生命是什么?》中解释了这个问题。他发现生命体与盒子中封闭气体的不同之处在于,前者是一个开放系统。也就是说,生命体允许自身与环境间发生能量的转化。生命体在维持内部秩序的同时,也会损失热量并释放到环境中,使得宇宙的熵整体增加,这就与热力学第二定律的描述相一致了。

半个世纪后,英国化学家加文·克鲁克斯首次从数学角度解释了微观不可逆。克鲁克斯在1999年发表的文章中用一个公式说明,由外界能量源驱动的小型开放系统只要不断耗散自身能量,就可以发生不可逆的改变。

英格兰认为,如果要用物理语言来描述生物学的话,这一点或许很重要。他的确这样做了。他当时是麻省理工学院的一名青年科研人员,但他既不想放弃生物学,也不想放弃理论物理。两类太阳能设备:一棵树和一块太阳能电池板都能吸收、转化太阳能,并将热量释放到周围的环境中。那么一名物理学家该如何解释,只有树属于生命体呢?

在犹太人的传统中,“奇迹”不一定要违反自然规律。他们认为“奇迹”并没有那么夸张,只是过去认为不可能的现象现在发生了而已。见证奇迹的人往往要重新定义之前的假设来化解矛盾。简而言之,他们必须从新的视角来审视这个世界。

英格兰在加州理工学院演讲期间,他一直在宾馆的房间里演算克鲁克斯的公式。很显然,从克鲁克斯的公式来看,如果生命要满足不可逆过程,那么这个系统就得特别适合吸收和耗散热量。但英格兰认为事实不止如此。最终,他还是想到了。假定某些特殊排布的原子特别容易吸收和消耗某种特定的能量来源,这种原子排布就更容易完成不可逆的转变。

尽管耗散适应这个理论让我们听起来觉得自己就像是太阳的冷却塔,但它可大有用处。达尔文的自然选择学说变成了更普适的耗散适应现象中的一个特例,就好比是汉语中的一种方言。自然选择是自我复制在宏观上的体现,而耗散适应却解释了微观层面的原理。

这种说法十分公允。毕竟,安伯托·艾柯说过:“翻译是门失败的艺术。”这次全新的“翻译”会不会也是个失败还尚未可知。最终,可能不只有一种语言能够表达生命的复杂性,但是英格兰想要尝试崭新的一种。他去年在《评论》杂志中这样说道:“不止有一种语言能够描述这个世界,而上帝想要人们掌握所有。”

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