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在物理学的语言里“生命”是什么?

admin 发布于 2019-08-13 11:14   浏览 次  

  当今世界人们使用大约6,800种不同的语言。不是每个词都能在不同的语言之间完美地翻译,意义有时会落入语义的裂缝。例如,日语词wabi-sabi(侘寂,或残缺之美)没有对应的英语单词;同理还有德语词 Waldeinsamkeit(在树林里独处之孤寂感)。

  不同的科学领域也是语言,科学解释有时只是翻译。例如,“红色”是“620-750纳米波长”的翻译。“温度”是“一组粒子的平均速度”的翻译。翻译越复杂,其赋予的意义越多 。“引力”是指“时空的几何”。

  那么生命呢?我们一看到生物就知道什么是生命。达尔文的理论甚至解释了一种生命形式是如何演化成另一种形式的。但是,118图库开奖结果记录,知更鸟和岩石之间的区别到底是什么?两者不是都服从同样的物理规律吗?换句话说,用物理学的语言如何翻译“生命”?有些人认为,这个词是不可译的。但也许它只是需要正确的译者,例如Jeremy England,34岁的麻省理工学院物理学助理教授。

  两种太阳能机器:树和太阳能电池板都能吸收和转换太阳能,并将热量释放到周围的环境中。物理学家如何解释为什么只有树是生命体呢?

  Jeremy England创立了一种称为“耗散适应”的新理论,据称有助于解释复杂的、类生命的功能如何能够从简单、甚至无生命的物质中自组织和涌现。这一理论为England赢得了一个不受欢迎的绰号:下一个达尔文。

  “我认为观察分子是如何实现功能是非常奇妙的,”Jeremy说。我们来看看DNA聚合酶。在生物学里,其功能是将核苷酸组合成新的DNA分子,而核苷酸是由碱基、糖和磷酸组成的。“当你了解这个过程时,会觉得一切似乎都很有意义,参与者似乎正在合力实现一个目标。”England说。“然而,这些东西与无机物几乎没什么区别。你把它们打碎成更小的片段看看,它们只会旋转和振动。

  England在哈佛大学读本科时,与生物物理学家Eugen Shakhnovich合作研究蛋白质折叠。每个蛋白质由相同的20个氨基酸组成。然而,一旦被折叠成形,每个蛋白质就开始执行生命所需的特定功能。“氨基酸不会给你写十四行诗,”英格兰说。“但是当你把几百个字符串在一起,突然你就得到了一台似乎有特定的目的的机器。

  这些茫然转动的齿轮,不知何故就出现了目的。单个组件看起来都服从基本的物理学规律,但合在一起后就产生了功能。在物理世界里,似乎没有功能这种东西:时间和空间就是时间和空间,不是为了任何明确的理由而存在。而在生物学中,系统是为行动而生的, 它们会移动、催化和合成。“功能”将生命与非生命区分开来;这个单词是只被我们用来形容有生命之物,还是有其他的内涵?England在2014年瑞典的卡罗林斯卡学院的演讲中告诉听众,物理学没有区分生命与非生命, 但生物学却有区分。

  在获得博士后,England是普林斯顿大学的研究员,他有时会开车到纽约去找学哲学的发小玩。朋友会把England带到熟悉的下东区,与他长时间的谈论哲学家路德维希·维特根斯坦。

  维特根斯坦在挪威的森林中独自生活过一段时间——所谓的Waldeinsamkeit,在这里他研究了所谓的“语言游戏”,即一套关于沟通的公约。一些哲学家认为,一个词的含义系于外部世界的实体。然而,维特根斯坦认为,一个词的意义取决于由使用者决定的的上下文。玩语言游戏就像用密码说话 ——如果对话的两个人都非常了解他们所参与的活动场景,他们可以用更少、更简单的单词来交流。不同群体的人——音乐家、政治家、科学家——都早玩符合各自需求的语言游戏。新的语言游戏不断涌现。意义在变迁,词语随之变迁。

  “维特根斯坦的这一想法我在其他地方也有发现,例如希伯来圣经的开篇,”England说。

  “起初,神创造天地...” 这里,希伯来词的“创造” 是bara、“天” 是shamayim 、“地” 是aretz;但它们的真正意义,England说,只有在下文的语境里才最终浮现。例如,bara或创造,是给事物命名的过程;创世就是创造一种语言游戏。“神说,要有光,就有了光。”神通过说出光的名字创造了光。“我们对这句话太熟悉了,以至于当我们真正开始思考这句话的时候,很容易忽略它最简单的含义,”England说。“我们这样称呼光,才有了让我们看见这个世界的光。” England认为,如果你想用物理语言来描述生物学,这是非常重要的一点。

  作为麻省理工学院的年轻教员,England 既不想停止研究生物学,也不打算放弃思考理论物理学。“这两件事使用的语言完全不同,如果你两个都不想放弃,你就必须得去翻译。” England说。

  在犹太传统中,“奇迹”不一定是违背自然规律的。奇迹没有那么宏伟——相反,奇迹是一种以前被认为是不可想象的现象。见证奇迹者需要重新定义之前的假设来化解矛盾,他们必须开始用新的角度审视这个世界。

  对于精通统计力学的物理学家来说,生命就是这样一个奇迹。热力学第二定律表明,对于封闭系统——如箱中的气体或整个宇宙——混乱度会随时间增加。雪会融化成一滩水,但一滩水不会自发的变成雪花的形状。如果你真的看到一滩水变成了雪花,你肯定以为你正在看一场电影的回放,如同时间倒流一样。在热力学第二定律下,大量粒子的群体行为具有不可逆性,所以我们才会有“过去”、“现在”和“未来”这样的词汇。

  时间的箭头总是指向无序的方向。然而,生命的箭头却指向相反的方向。简单无聊的种子成长为结构复杂的花,从无生命的地球中生长出茂密的丛林。为什么掌控着“生命”原子的规则与掌控宇宙中其他原子的规则有如此巨大的差异呢?

  1944年,物理学家薛定谔在其著作《生命是什么?》(What is Life?)中试图解释这个问题。他意识到,箱子里的气体是封闭系统,而生命体是开放系统。也就是说,生命体允许自身和周边环境之间发生能量转化。生命在维持内部秩序的同时将热量释放到环境中,这样宇宙的熵整体增加了,热力学第二定律仍然成立。

  与此同时,薛定谔发现了第二个谜团。他认为,产生时间箭头的机制与产生生命之箭的机制截然不同。时间的箭头来自大样本的统计——当你有足够多混乱无序的原子时,无序的组合总是比有序的组合多很多,因此它们产生有序状态的机会是零。但对生命而言,即使在微观的尺度,秩序和不可逆性仍然存在,组成生命的原子数量要少得多。在这个数量级上,原子的数量不够大,远不足在统计上形成如热力学第二定律这样的规律。例如,生命的基本组成单位、RNA和DNA的构成单位——核苷酸,仅由30个原子组成。尽管如此,薛定谔发现,遗传密码的保存能力好得不可思议,有时能延续百万世代,“其持久力已经近乎奇迹”。

  那么基因如何抗衰减?脆弱的分子为何不会土崩瓦解?这其中一定有比统计更深奥的原理在发挥作用,使得少量的原子能够不可逆转的自发启动,成为鲜活的生命。

  薛定谔之后半个世纪,英国化学家Gavin Crooks第一次用数学描述了微观不可逆性。Crooks于1999年发布的一个公式说明,由外部能量驱动的小型开放系统只要不断耗散自身能量,就能发生不可逆的改变。

  想象你站在一道栅栏前面。你想去另一边,但栅栏太高跳不过去。一个朋友递给你一个弹簧高跷,你可以用它跳过去然后再跳回来。弹簧高跷这样的外部能量源能让你产生可逆的变化。

  再想象下,这次你的朋友给你一个喷气背包而不是弹簧高跷。你点燃喷气背包越过栅栏。当你越过栅栏时,喷气背包将消耗燃料并将能量释放到周围的空气里,因此当你着陆时,你的喷气背包已没有足够的能量让你越过栅栏回到原地。你只能留在栅栏的另一边,你的变化是不可逆的。

  Crooks表明,一组原子可以通过外部能量改变自身的构造——就像跳过栅栏一样。如果原子在变化的同时耗散能量,则变化可能是不可逆的。他们可以利用下一次能量爆发转变回来,但有时也会转变到一个全新的状态,就这样通过能量耗散进行一步又一步的转变。能量耗散不能确保不可逆性,但不可逆性一定有能量耗散。

  Crooks的结论具有普适性,适用于任何离开平衡态的系统,包括生命体。不过,England认为,“对于大而杂乱、有大量能量耗散的多体系统而言,结论可能需要更加谨慎。结论似乎没错,但计算上可能很难操作。” 2013年在加州理工学院演讲期间,England在酒店房间里不断演算Crooks的公式。从Crooks公式可以推导出,要获得生命标志性的不可逆性,系统必须有特别好的吸热和散热能力。但England知道事实不止于此。

  “这就像一直在原点附近打转,”他说。“有时候我把问题放下去睡觉,就能想到不同的东西。当你回来的时候,会发现墙上多了一个缺口。”

  England终于想到了答案。在能量源一定的情况下,原子的一些特定排列能比其他排列更好的吸收和消耗能量,因此更容易完成不可逆的转变。随着时间流逝,如果一些系统变得特别适合这一过程,这一系列不可逆的转变就会变成一种独立运作的合成作用。England动笔写下一个考虑了系统的耗散历史的热力学第二定律推广式,他认为这解释了生命结构和功能的起源。在去年年底的一篇文章中,他这样解释道:

  虽然系统的变化大多是随机的,但最持久、不可逆的改变都发生在系统正好能较好的吸收和耗散能量时。随着时间的推移,系统优先“记住”了这些相对不可逆的变化,于是系统会越来越多的采用类似于历史上发生耗散时的构型。如果我们回顾这种非平衡过程,会发现这种结构似乎自我组织成一种“适应”环境条件的状态。这种现象就是耗散适应。

  虽然系统的变化大多是随机的,但最持久、不可逆的改变都发生在系统正好能较好的吸收和耗散能量时。随着时间的推移,系统优先“记住”了这些相对不可逆的变化,于是系统会越来越多的采用类似于历史上发生耗散时的构型。如果我们回顾这种非平衡过程,会发现这种结构似乎自我组织成一种“适应”环境条件的状态。这种现象就是耗散适应。

  当然,原子系统并不是有目的性的——它只是盲目、随机的不断调整。在从一种形态变化到另一种形态的过程中原子系统经历了一系列的化学变化并最终自发组织成某种形态,这看起来就是“适应”。维特根斯坦说:“语言是一座路径的迷宫。”对England来说,这次的翻译似乎是正确的。在物理学的语言中,“生命”是什么?England称之为“耗散适应”。

  尽管耗散适应让我们听起来像一座座太阳的冷却塔,但这一理论的内涵远不止于此。达尔文式自然选择变成了广义的耗散适应现象的一个特例,如同一种语言中的方言。耗散适应发生在微观尺度上,自然选择则发生在宏观世界的自我复制器中,而自我复制是消耗和耗散能量的绝佳方式。在耗散适应的语言中,“适应度”(fitness)一词有了新的意义。Northeastern大学物理学助理教授Meni Wanunu认为:“在耗散适应中,适应度并不是根据一系列最优功能来定义的,而是系统与环境中可用能量的”给予和接受“关系。系统消耗能量并沿着不可逆的方向漂移,因之而变得“特殊”,但并非是完美或理想的形态。“鸟类并不是飞行的最佳选择,”England说,“但就飞行而言,鸟类比石头或蠕虫强多了。”

  这一理论使我们不得不重新思考使生命变得如此特别的那些不寻常的功能。在不借助外界强力作用的前提下,复杂的功能从相互间只有微弱作用的粒子集合中涌现,这一过程现在可以分解成由外部驱动的一系列小型不可逆变化。蛋白质和酶这类物质比我们想象的更容易出现。“我们可能并不需要从亿万个自我复制的氨基酸序列中精确的挑出候选者,” England说。“自组织的时间尺度可能比我们想象的更快。如果我们能够说服自己,生命的起源看起来更像一段斜坡或楼梯,大量的微小变化将其引向正确的方向,那么这至少可能完全改变我们思考生命起源场景的方向。”

  该理论不仅帮助我们回顾过去,还能带来新的设计和工程学方法。“如果只是想模仿生命体做的某件事情,而非模拟生命体本身,要做的事情可能要少很多。”一个可能的例子是England实验室正在研究的“突现计算”(emergent computation),其目标是在不接收任何设计指令的情况下,使粒子系统演化出预测自身环境变化的能力。毕竟在波动的环境中良好地吸收和耗散能量需要一定程度的预测能力。England认为:“如果我们能成功地做到这一点,那么意味着系统中的粒子以某种方式进行了交互,能够根据过去的统计数据有效实施关于未来的计算。这可能会影响基于预测能力的技术,从神经网络到预测机票价格的程序。

  这就是翻译的神奇力量。如果实验能成功,将是耗散适应理论的最好证明。Wanunu对此仍持保留态度:“England提出了一套新的想法,但还需要实验验证。“哈佛大学系统生物学副教授 Jeremy Gunawardena也不是完全认同这一理论:“Jeremy希望避开化学,将生命的涌现完全看成一种物理必然。我并不信服。不过,我高兴看到他在试图解决这个问题,我相信我们会从中学到很多有趣的东西。”

  这么说是公平的。毕竟,按照Umberto Eco的说法,“翻译是失败的艺术”。这次全新的翻译是否会失败仍未可知。最终,可能不会只有一种语言能表达生命的复杂性,England只是希望我们尝试一种新的语言。在去年的《评论》杂志中他这样写道:“描述这个世界的语言不止一种,上帝希望人们掌握所有的这些语言。”

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