物理学家所理解的生命

( 上图：杰瑞米·英格兰通过电脑模拟显示，当一组粒子处于粘稠的液态环境中时，图中绿松石色的粒子会受到反复震荡的力，经过一段时间（图中从上到下），这种力会促使粒子间形成更多的连结 下图：哈佛大学生物物理学家玛拉·普伦蒂斯和他们团队的研究成果——自复制的球形簇群 )

虽然也有一些量子物理学家在研究人类“意识”和“观测行为”的本质及其对于量子系统的影响，但是通常说，物理学研究与生命科学研究并没有太多的交集——研究生命运行和演化的内在规律是生物学家的职责，而生命现象本身并没有任何违反物理学法则的地方。

生命究竟如何起源？生命的本质是什么？生物与非生物的界限又在何处？有研究者认为，生命起源于大约在30亿年前地球大气层中频繁发生的闪电促成的化学反应，产生了生命最初出现所必需的几种重要氨基酸。也有研究者认为，有可能是来自地外的陨石携带某些化学物质坠落在地球上之后促发产生了最早期的生命，此后，生命通过不断的自我复制和演化，历经几十亿年，使地球成为一个充满生机的行星。

从物理学的角度该如何看待生命的起源和演化？近来一位物理学家的理论吸引了学术界越来越多的关注，也正在接受越来越多的考验，它有可能从根本上改变人类对于生命起源和生物行为的认识。生命在地球上的出现，可能并不是源自一个偶然事件，而是一个自发的物理学过程；生物和非生物之间的界限，也并没有人们以前所理解的那样清晰。有人用一个稍微极端一点的说法来阐述来自麻省理工学院的物理学家杰瑞米·英格兰（Jeremy England）的理论：“用一束光照射随意一堆原子，如果时间足够长的话，你就会得到一株植物。”

杰瑞米·英格兰有关生命现象的物理学研究是基于物理学最著名也是最值得信任的定律之一：热力学第二定律。这个定律主要是描述热力学过程的不可逆，一个孤立的热力学系统的熵值永远趋向于增大。“熵”是热力学中用来描述系统混乱程度的一个指标，一个系统的熵值越大，说明这个系统的混乱程度也就越高。正是因为热力学过程的不可逆，这个定律也被称为“时间之箭”。杰瑞米·英格兰对于生命现象的研究，始于对生命现象的热力学和统计学研究。生物和非生物的最根本区别到底在哪里？从热力学的角度讲，相比于一堆随意摆放的碳原子来说，生物更善于从周围的环境中获得能量，并且把这些能量以热量的方式消散出去。

杰瑞米·英格兰认为，这个基于热力学的区别，正是生命体与非生命体最根本的差异，为此他列出了一个数学公式来描述这种区别与生命产生的热力学过程：一些在温度恒定的环境中又可以接收到外来能量（比如太阳）的原子，会逐渐进行自发的重组，以形成一种更容易消耗更多能量的组织形式——当有外在能量注入的时候，在不违反热力学第二定律的基础上，一个开放（有外部能量注入）的系统有可能通过大量增大它周围环境的熵值来维持自身的低熵值，使能量在这个系统的原子中并不平均分配。这正是生物体和非生物体最根本的热力学区别。因此，根据杰瑞米·英格兰的理论，一组原子在一定条件下实行自发重组的过程，有可能正是生命产生的关键过程，而且，这个过程并不需要过多的偶然性。

现在，31岁的物理学助理教授杰瑞米·英格兰在美国麻省理工学院成立了一个研究小组，主要研究生命现象中“自然选择”的物理学本质。他认为，生物很善于收集周围环境的信息，进而进化出更合适与周围环境发生互动和自我复制的方式，生命本身就是一个进行决策和发挥不同功能的过程。但是在另一方面，生物自身也是由原子构成，必须遵守物理学的各个定律，因此，生物的每一个细胞和原子的各种行为也都是在时空中的物理学现象，进化本身包含了对生物体自身并不完美的自我复制，同时这个自我复制的过程也要受到周围环境的影响。但究竟是环境的哪些性质在影响生物的自我复制？这位受过物理学和生物学教育的科学家希望找出生命演化的物理学基础。2013年8月21日，杰瑞米·英格兰在《化学物理杂志》（Journal of Chemical Physics）上发表论文《自我复制的统计物理学》（Statistical Physics of Self-replication），描述了他对于生物自我复制行为的理解。

对于生命现象的热力学解读，是否在某种程度上否定了达尔文的自然选择学说？杰瑞米·英格兰认为恰恰相反，这种对于生命现象的热力学解读是从另一个角度支持达尔文的自然选择学说。生命进化的过程，可能正是一个系统逐渐演化为更善于从外界环境吸收和释放能量到周围环境的过程，也就是说，这个有关生命现象的热力学理论，可能是对达尔文学说一个更基础的解释，达尔文的自然选择学说则可能只是这个基础理论的一个体现。从热力学的角度，消耗更多能量的一个好方法就是自身复制，而这可能正是生物中遗传物质核糖核酸（RNA）产生的原因。

杰瑞米·英格兰的理论目前已经吸引了学术界的广泛关注，它是否可能得到进一步的证实？已经有几位科学家提出了检验这个理论的实验计划。杰瑞米·英格兰本人正在研究系统组织结构的演化是否向着更加容易耗散能量的方式演进，接下来，还有可能在生物学领域进行研究。哈佛大学的生物物理学家玛拉·普伦蒂斯（Mara Prentiss）教授则认为，可以在生物学领域中通过研究细胞突变对细胞的复制能力和能量耗散能力的影响来进一步检验杰瑞米·英格兰的理论。这个理论对于非生物系统的研究也同样具有启发意义，因为在自然界中，一些非生物的系统同样存在自我复制和自组装（Self-assembly）的现象，这种现象同样有可能通过杰瑞米·英格兰的热力学理论给出合理的解释。

生命如此神奇，作为宇宙中已知的唯一一个充满生机的行星上最具智慧的生物，人类不可能不对生命本身充满好奇。生物与非生物之间的界限，不仅是一个生物学课题，也涉及物理学、哲学和其他学科。大名鼎鼎的物理学家艾尔文·薛定谔在1944年就曾经出版小册子《生命是什么》，试图从物理学的角度解读生命的本质。可以说杰瑞米·英格兰的理论在薛定谔的基础上更近了一步，把人类对于生命的理解放置到了一个更加基础的位置上，把生命的产生和演化同样归于自然现象的一部分，这可能会给生物学研究带来启示。但即使这个理论在某种程度上被证实，可能也仍然无法解释生命现象中更为复杂的问题，例如对于人类“意识”本质的研究，以及人类自身与宇宙的关系。

（本文写作参考了西蒙斯基金会《量子杂志》（Quanta Magazine）的文章《关于生命的新物理学理论》（A New Physics Theory of Life）

（文 / 苗千） 理解达尔文科学科普物理热力学生命物理学家