生命的起源：一个新的理论认为物理学认为答案

从宇宙的膨胀到最微小的亚原子粒子的运动，现代物理学可以帮助我们解释许多令人眼花缭乱的自然现象。但这能解释其中最大的谜团吗：我们所知道的生命是如何开始的？

麻省理工学院（MIT）物理学助理教授杰里米·英格兰博士认为这是可能的。他目前正在研究一个大胆的理论，希望能揭示如何从一组惰性的化学物质中产生类似生命的行为。

“自从我在大学里研究蛋白质折叠的时候，我就一直对粒子大而杂乱的组合如何变得逼真的物理学很感兴趣，”英格兰说。“这是我在理论物理和生物之间成功拒绝选择的方法，这两者都令我着迷。”

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英格兰的研究基于公认的热力学物理学——一门描述热量如何从一个地方移动到另一个地方的科学，对许多自然过程至关重要。他将他的理论称为“耗散适应”，因为该理论旨在描述结构是如何通过能量（主要是热量）向环境中的耗散而产生和变化的。

这一过程增加了周围环境中的熵（无序量），奥地利量子物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）认为这是生物体发挥功能所必需的。关键的是，熵的增加使进化中的结构保持在所谓的“非平衡状态”成为可能。

通常一个系统（这可能意味着从气体箱什么复杂的结构）进入与环境的平衡。这意味着，有热量的系统和其周围环境之间没有净流。例如，如果你离开热一杯茶放在桌上，它最终将达到相同的温度的房间，这让谁期待着一杯茶茶爱好者的懊恼。

但生物处于非平衡状态，它们从阳光和食物等来源获取能量，并将这些能量“耗散”到周围环境中。这能使生物体减少自身的熵，这样它就能生长并构建结构。

England和他的团队研究的正是这种非平衡状态的物理学，他们使用计算机模拟来寻找类似生命行为自发出现的情况。

超越生物学

这并不是物理学家第一次尝试研究生物学中更深层次的问题。1944年，薛定谔出版了一本书，这本书是根据他在被收养的都柏林的家中所作的一系列演讲改编的。这本书，什么是生活？，强调了能量流和熵的中心意义。在书中，他还提出，生物遗传将取决于他所谓的“非周期晶体”——一种可以在其结构中携带信息的分子——这一预测在DNA结构的发现中得到了证实。

“我目前研究方向的出发点是——在这一点上，我真正偏离了生物学——认识到要想思考物理学，你必须把生命中有趣的东西分解成单独的、定义明确的物理现象，然后你可以从热力学的角度来讨论常春藤生物会自我复制，但并非所有的自我复制者都是活着的，”英格兰说。

英格兰瞄准的是行为包括复制，收集能量，自然选择和预测未来的能力。

有时候，这些效果可以在任何没有相似的生活简单，熟悉的现象，如雪花和沙丘中可以看出，他说。但是，在这两种情况下，这些结构能够形成为能量释放到环境中的结果。

“在一个雪花的情况下，它是由放热[发热]结晶的液态水成固体冰释放的热量，”他说。“在一个沙丘的情况下，流动的空气得到沙粒移动，但随后他们再次停止，因为他们滔滔不绝对彼此失去的能量作为热量散发到周围的空气。”

熵和进化

生物体的进化历史被存储在其DNA，模制的现有形式。英格兰认为，散热，从而增加熵也有助于塑造其结构的生物体的历史。如果没有DNA作为更改的记录行为，英格兰认为，结构的物理形式可以保存信息。

他说：“试想一个歌剧演员演唱的玻璃杯，它会产生共鸣，剧烈地改变形状并破碎。一旦它破碎，它从歌曲中吸收能量的能力就差得多，因为它是一堆碎片。它的形状改变得更少，它变得更稳定。”。

“但这些碎片并非随机排列的玻璃，它们包含了大量有关玻璃破碎时所处形状的信息。因此，尽管它们不善于吸收能量，但它们具有历史上某一时刻的特征，而事实恰恰相反，通过正确的侦破工作可以重建。”

有时，在团队的模拟中，出现了令人惊讶的自我组织水平。例如，当他们从不同的模拟化学物质相互作用的虚拟汤开始时，一些开始接管，而另一些则以牺牲他人为代价。然后，它们开始占据主导地位，因为它们在获取可用能量方面表现得更好。

England说：“我们认为生命在很多方面都非常擅长，例如能量收集、预测计算（预测未来）和自我修复，即使在没有达尔文进化论的情况下，我们也可以通过自我复制和自然选择实现自我组织。”。

尽管仍处于初期阶段，理论也不是没有批评，英格兰本人同意之间存在简单地观察生活中类似的行为和生活本身就是一个巨大的差距。

“所有的生活中，我们看到的是无数过去的事情已经活着，一定要共同进化了很久世代竞争的产品，”他说。“此外，任何活的东西是独特的生活，像许多行为的复合，他们不一定都在一开始就来手牵手。例如，一些可能是一个很好的能量采集器，而不一定是能够自我复制的任何方式，我不要求了解如何达成一揽子协议，我们称之为生活第一被捆绑在一起的东西。”

什么他不相信，但问题在于，他的团队的工作是丰富了他所说的“开始工具箱”为生命形式。目前，他们的工作是完全基于计算机模拟，但其他研究人员也开始占据查处在物理实验中类似的热力作用的思想和工作。

我们可能没有答案的生命是如何开始的呢，但耗散适应带给我们的是鼓励的活物出现的基本原则之一的更清晰的画面。

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