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用物理学阐释生命

本文源自环球科学杂志公众号:环球科学ScientificAmerican


撰文:艾利森·艾克(Allison Eck)
翻译:张雪
审校:丁家琦

想象一种语言就是想象一种生活方式。——路德维希·维特根斯坦《哲学研究》(1953)

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(Jeremy England)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。

他的小心翼翼有情可原。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”(dissipative adaptation)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。

当前世界仍在使用的语言有6800种之多,然而并不是每个词都有准确的翻译,一些独特的含义也就在不同的语种转换间流失掉了。例如,日语中的wabi-sabi(侘寂,指残缺之美)和德语中的waldeinsamkeit(指独处于树林中的孤独感)在英语中都没有完全对应的单词。

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”?有些人认为“生命”无法诠释,但它有可能只是需要一个正确的译者。

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》(The Cartoon Guide to Genetics)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。

“我当时觉得,多种多样的分子能够各自行使其功能实在是太神奇了。”英格兰热情洋溢地说着,不时用手比划着,头上还戴着一顶犹太圆帽。

他拿DNA聚合酶来打了个比方。在生物学里,DNA聚合酶的功能是将核苷酸组装成新的DNA分子,而核苷酸则是由碱基、五碳糖和磷酸组成的。“当你了解了这整个过程时,会觉得其中所有的参与者都是有意义的——它们就像是在合力完成一个目标。”英格兰说道。“但是,这些物质和无机物并没有多大差别。如果你把它们破碎成小片段,它们能做的也只有旋转和振动了。”

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(Eugene Shakhnovich)进行蛋白质折叠的研究,发现了更多类似的情况。蛋白质数据库中储存了海量蛋白质结构信息,有许多形状优美、颜色各异的条带或片层,不同颜色代表了不同的蛋白特性。拆来开看,每个蛋白质都是由同样的20种氨基酸组成的,但神奇的是,一旦这些蛋白质折叠成形,他们就能担负起生命运行所必需的独特功能。“氨基酸虽然不能帮你写出十四行诗,但把上百个氨基酸串联起来,一下子就变成了有特定用途的分子机器。”英格兰说道。

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?就像英格兰2014年在瑞典卡罗林斯卡医学院做的报告里所说的一样,物理学并不会区分生命体与非生命体,但是生物学中却有这个概念。

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(正如上文提到的德语“waldeinsamkeit”所描述的,独处于森林中的状态),写些“语言游戏”或是研究语言规范。有些哲学家坚持认为,单词的含义是世界上所存在的物理对象所固有的。而维特根斯坦则认为,单词的含义是由人们使用单词时的语境所决定的。玩语言游戏有点像是用密电码说话——如果两个人参加一场双方都能理解的活动,那么他们可以用更少、更简单的话来知悉彼此,音乐家、政治家、科学家等不同的群体都需要采用语言游戏来满足各自的需求。新的语言游戏在持续不断地生成,人们所表达的含义改变着语言框架,而词汇也在不断地适应。

“这位朋友特地用我能理解的内容来说明这个观点,除此以外,希伯来圣经也对我帮助很大。”英格兰说道。

“起初神创造天地。”这句话中的“创造”、“天”、“地” 在希伯来语中分别是bara,shamayim和aretz,但英格兰说,这三个词只有和下文的语境联系在一起时才具有实际含义。比如说“创造”这个词bara表示赋予事物以名称,那么创造世界就是创造一种语言游戏。“神说,要有光,就有了光。”神说出光的名字才创造了光。“我们对这句话太熟悉了,以至于我们开始真正思考这句话时,很容易忽略它最简单的含义,”英格兰说道,“正是我们这样称呼光,才有了能够让我们看见这个世界的光。”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。“如果你不肯舍弃十分感兴趣却完全不同的两样东西,”他说,“那么你就不得不学会在二者间进行翻译。”

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?图片来源:Shutterstock

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。

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——比如盒子中的气体,或是把宇宙看做一个整体——混乱度会随时间而增加(即熵增定律)。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。

时间的箭头总是指向无序的方向,然而生命的箭头却恰恰相反。一颗毫无生气的种子可以生长为结构复杂的花朵,死气沉沉的大地中也能生长出茂密的森林,为什么掌控着生命原子的法则和掌控宇宙中其他原子的法则具有如此不可思议的差异?

1944年,物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)在他的著作《生命是什么?》(What is Life?)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。

与此同时,薛定谔又发现了一个疑问。他说,引发时间箭头和生命箭头的机制一定是不同的。时间箭头来源于大量样本的统计——当你有足够多混乱无序的原子时,其中的无序排布要比有序排布多得多,所以这些原子形成有序状态的可能性为零。但对于生命而言,即便在显微镜下看,原子也是有序而不可逆的,而只有极少的原子游离在外。在这种条件下,原子不可能大量聚集,也就无法在统计上形成热力学第二定律这样的规律。比如说,生命的基础成分、RNA和DNA的构成单位——核苷酸,就仅由30个原子组成。但薛定谔也注意到,遗传密码的组成之牢固简直不可思议,甚至能够“以近乎奇迹的持久力”遗传成千上万代。

那么基因又是如何抵抗衰退的呢?如此脆弱的分子为何不会瓦解?这其中一定有比统计学更深奥的原理,令少量的原子能够自力更生地完成不可逆过程并成为鲜活的生命。

半个世纪后,英国化学家加文·克鲁克斯(Gavin Crooks)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。

想象你自己站在一堵围墙前面,你想要到达墙的另一边,但是墙太高跳不过去。你的朋友递给你一把弹簧高跷方便你越过去。这样,你就能用这把弹簧高跷一次又一次的跳过去再跳回来。外界能量源就像弹簧高跷一样能帮你做出改变,但这是可逆的改变。

再想象下,如果你的朋友给你的是喷气背包,你点燃它并飞越围墙。在你越过围墙的同时,喷气背包消耗了燃料并将能量释放到周围的空气中,所以当你落地时,背包里就没有足够的能量令你返回围墙那边了。你只得留在围墙另一边,这个过程就是不可逆的。

克鲁克斯的观点与之类似:一组原子可以利用外界能量完成自身构象的改变——这就像是跳过围墙。如果原子在转变的同时耗散能量,那么这个过程就可能是不可逆的。它们通常会再利用另外一波能量转变回来,但有时候他们也会借助下一波能量转变成另一个新状态,不断地耗散自身能量进行一步又一步的转变。这样说来,能量的耗散不一定是不可逆的,但是不可逆过程一定需要能量耗散。

克鲁克斯的结论具有普遍性,可以适用于任意平衡系统的转变,甚至有可能包括生命。但英格兰说,“对于一个内部有大量耗散的大型混乱多体系统而言,解释这个问题要格外谨慎。这些结论似乎没错,但是在计算上可能很难操作。”2013年,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。

“我在思考这个问题时,似乎一直在同一个基点附近打转,”他说,“有时候我会暂时放下它,去睡觉,再思考别的事。后来又回到这里时,可能墙上就多出了一条路。随着时间流逝,我就开始不断接受不同的事物。”

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。随着时间流逝,如果某些系统相对而言变得特别适合这个过程,那么这一系列不可逆的转变就会变成一种能够独立运作的合成作用。英格兰拿起铅笔写下考虑系统的历史耗散条件下的热力学第二定律推广式,他说这解释了生命结构与功能的起源。在去年年底发表的一篇论文中,他这样解释道:

尽管系统中任意既定的改变几乎都是随机的,但最持久、不可逆的改变都发生在当系统碰巧可以暂时较好地吸收和耗散能量时。随着时间流逝,系统优先“记住”了这些相对不可逆的改变,于是愈发适应于这种耗散发生时的构型。回顾这种非平衡过程,我们会发现它的结构已经自我组织形成一种适应于环境条件的状态,这种现象就叫做耗散适应。

当然,原子系统并不会尝试做一切事情,它只是盲目地、随机地不断调整。在从一种形态转换到另一种形态过程间发生的一系列化学变化中,它自发组织成某种形态,但对我们而言,这看起来就像是“适应”。维特根斯坦说:“语言是一座迷宫。”对英格兰来说,这次的翻译似乎是对的。你怎样用物理来解释“生命”呢?英格兰把它叫做“耗散适应”。

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(即生物学中的生殖)在宏观上的体现,而耗散适应却解释了微观层面的原理。自我复制确实是消耗和耗散能量的不错选择。在耗散适应理论中,“适应度”(fitness)有了新的意义。“在耗散适应中,适应度不是由一系列最优函数定义的,而是指系统与环境中可利用能量的‘平等交换’关系。”东北大学的物理学助理教授梅尼·瓦努努(Meni Wanunu)说道。系统在耗散能量的过程中也向不可逆的方向发生改变,因而成为了“特例”,而并非完美或是理想状态。“鸟类并不是地球上最适合飞行的物种,”英格兰说,“它们只是比石头或虫子更适合飞行而已。”

这一理论不得不让我们重新思考令生命如此特别的所谓“功能”:“在能够发挥功能的地方,我们才更具有适应性。”英格兰这样说道。在不借助任何强作用力的条件下,从一系列弱相互作用粒子中出现复杂功能的这一过程,可以被分解成若干个由外界驱动的小型不可逆转变。蛋白或酶这类物质的出现,可能要比我们想象中的更加容易。“它们可能不是在亘古流传的自我复制中精挑细选出的氨基酸序列,”英格兰说,“有可能只是为了自我组织得更快一些。如果我们能够说服自己,生命最初的阶段更像是一段指向正确方向的斜坡或楼梯,在进化的过程中逐渐增加高度,那么这至少可以改变我们思考的方向。”

这个理论不仅能帮助我们回顾过去,还能提出新的设计和工程学方法。“如果只是模仿生物体做的某件事,而非模仿生物本身,要做的事情可能就会减少很多。”就拿英格兰及其实验室成员目前正在研究的突现计算(emergent computation)来说,他们的目标是在不接受任何设计指导的情况下,使粒子系统在自身环境中进化出预测改变的能力,毕竟想要在环境波动中变得更适合吸收和耗散能量需要一定程度的预测水平。“如果这个实验能够成功,那么关注点就变成了粒子系统是如何基于对过去的统计来调整相互作用,有效实施关于未来的计算的。”英格兰说道。这可能会影响到一系列与预测力相关的技术,不管是神经网络的运作,还是预测低价机票的程序设计。

这就是“翻译”的神奇之处。空谈不如实践,如果实验能成功,就是耗散适应理论最好的证明。目前,瓦努努仍持保留态度:“英格兰提出了一系列的新想法。但想要用实验验证这个理论,还需要持续关注。”哈佛大学的系统生物学助理教授杰里米·古纳瓦德纳(Jeremy Gunawardena)也不完全认同这一方法:“英格兰想要不考虑化学因素,而仅仅把生命起源的抽象本质看作物理的必然性,”他说道,“我不相信。但是我很高兴看到他在努力解决这个难题,我相信我们都能从中学到很多。”

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》(Commentary)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。”

原文链接:http://nautil.us/issue/34/adaptation/how-do-you-say-life-in-physics

 

 

 

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