【很想懂】生命从何而来？MIT“学霸”提出了挑战三观的理论

2013年，生物物理学家杰里米·英格兰（Jeremy England）提出的一种新理论掀起了波澜， 他认为，生命的起源是热力学的必然结果。

他推导的方程式表明，在一定条件下，原子团会自然而然地重组自身，以便消耗更多的能量，从而促进能量的持续耗散以及“熵”（即宇宙中无序状态）的增加。

英格兰说，这种重组效应——他称之为“耗散驱动型适应性”——促进了包括生命体在内的复杂结构的进化。他在2014年接受采访时表示，生命的存在并不神秘，也不是凭运气，而是遵循着一般的物理学原理，“就像石头必定会朝山下滚一样，是意料之中的事情。”

此后，这位35岁的麻省理工学院副教授就一直在通过计算机模拟，验证自己的想法。这些研究中最重要的两项成果已于7月发表，分别刊登在《美国国家科学院学报》和《物理评论快报》上。两项计算机实验的结果似乎都对英格兰“耗散驱动型适应性”的总体观点提供了支持，不过，它对于破解现实中生命诞生的奥秘仍然停留在推测阶段。

“这显然是一项开创性的研究。”德国科隆大学统计物理学家、定量生物学家迈克尔·莱西格（Michael Lässig）如此评价《美国国家科学院学报》的那篇论文。这篇论文的作者还包括麻省理工博士后研究员乔丹·霍洛维茨（Jordan Horowitz）。

“这项案例研究只是针对一个小系统中的一组给定规则，所以，现在判断它能否被推而广之，可能有点为时过早。”莱西格说，“但显而易见，人们的兴趣在于， 他们想知道这对生命来说意味着什么。 ”

该论文抛开了细胞和生物学的具体细节，描述了一种更简单的化学物质模拟系统，让异常结构有可能在其中自发出现——在英格兰看来，这种现象正是生命起源背后的驱动力量。

在论文提到的实验中，英格兰模拟的化学试剂包含了25种化学物质，这些物质相互之间发生着多种化学反应。化学试剂中的能量来源会促进或“迫使”这些物质之间发生反应，就好像阳光能促使大气中生成臭氧，或是化学燃料ATP（三磷酸腺苷）为细胞活动供能一样。

从随机的初始化学物质浓度、反应速率以及“强迫性外力”（它决定了哪些反应能够得到外力增强以及得到多大程度的增强）开始，模拟的化学反应系统将不断演进，直至达到最终的稳定状态，或称“定点”。

麻省理工学院物理学副教授杰里米·英格兰认为，他找到了生命起源背后的物理学机制。

通常情况下，这样的系统会进入一种平衡状态，化学物质的浓度将达到平衡，正逆两个方向的反应也将达到平衡。这种趋于平衡的特点，就好比一杯咖啡会自然冷却到室温，这也是热力学第二定律中，最为人所熟知的结果——根据该定律，能量总是不断耗散，宇宙一直在熵增。

但是在英格兰的实验中，在某些初始设定下，模拟的化学反应系统会走上截然不同的方向：在这些情况下，系统演进到的“定点”远非平衡状态，而是会通过尽可能多地从环境中吸收能量，不断地将反应循环下去。

英格兰和霍洛维茨在论文中写道，这些情况“或许可以被认为是系统与环境之间在进行明显的微调”，系统在其中找到了“极端热力学强迫的罕见状态”。

生命体也维持着“极端强迫”的稳定状态：我们是能量的超级消费者，我们为细胞内的反应提供动力时，需要消耗大量化学能量，使之发生降解，从而增加宇宙的熵值。 英格兰正是通过一个更简单、更抽象的化学系统模拟了这种稳态行为。

实验表明，这种稳定状态可以“立即出现，无需长时间的等待”，莱西格说——这说明，在现实世界中可以轻易达到这样的“定点”。

很多生物物理学家认为，在关于生命的真相中，也许至少有一部分是英格兰所说的那样。但是，英格兰是否找到了生命起源中最重要的一步，这在一定程度上取决于一个问题： 生命的本质是什么？

而对于这个问题，学界意见不一。

形式和功能

英格兰算是典型的学霸，他念过的名校包括哈佛、牛津、斯坦福和普林斯顿，最后在29岁时加入麻省理工从教。他认为，生命的本质是其原子成分的特殊排列。

“想象一下，如果我对细菌的原子进行随机重排——我取出这些原子，全部进行标注，然后在空间中排列——那么我很可能得到一些垃圾。”他说，“（原子构件的）大多数排列不会产生细菌那样具有代谢功能的生命体。”

让一组原子“解除锁定”并消耗化学能量，这并不容易。要实现这种功能，原子必须以极不寻常的形式排列。英格兰称， 一种“形式-功能”关系的存在“意味着环境天生带有一种挑战，让我们把系统的结构看成是两者的交会。”

但是，原子是怎样获得细菌的特定形式和功能，以及其消耗化学能量的最佳配置？其中的原理又是什么？英格兰推测，这是热力学作用在远离平衡状态系统（即耗散结构系统）中的自然结果。