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雖然也有一些量子物理學(xué)家在研究人類“意識(shí)”和“觀測行為”的本質(zhì)及其對于量子系統(tǒng)的影響，但是通常說，物理學(xué)研究與生命科學(xué)研究并沒有太多的交集——研究生命運(yùn)行和演化的內(nèi)在規(guī)律是生物學(xué)家的職責(zé)，而生命現(xiàn)象本身并沒有任何違反物理學(xué)法則的地方。 生命究竟如何起源？生命的本質(zhì)是什么？生物與非生物的界限又在何處？有研究者認(rèn)為，生命起源于大約在30億年前地球大氣層中頻繁發(fā)生的閃電促成的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了生命最初出現(xiàn)所必需的幾種重要氨基酸。也有研究者認(rèn)為，有可能是來自地外的隕石攜帶某些化學(xué)物質(zhì)墜落在地球上之后促發(fā)產(chǎn)生了最早期的生命，此后，生命通過不斷的自我復(fù)制和演化，歷經(jīng)幾十億年，使地球成為一個(gè)充滿生機(jī)的行星。 從物理學(xué)的角度該如何看待生命的起源和演化？近來一位物理學(xué)家的理論吸引了學(xué)術(shù)界越來越多的關(guān)注，也正在接受越來越多的考驗(yàn)，它有可能從根本上改變?nèi)祟悓τ谏鹪春蜕镄袨榈恼J(rèn)識(shí)。生命在地球上的出現(xiàn)，可能并不是源自一個(gè)偶然事件，而是一個(gè)自發(fā)的物理學(xué)過程；生物和非生物之間的界限，也并沒有人們以前所理解的那樣清晰。有人用一個(gè)稍微極端一點(diǎn)的說法來闡述來自麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家杰瑞米·英格蘭（Jeremy England）的理論：“用一束光照射隨意一堆原子，如果時(shí)間足夠長的話，你就會(huì)得到一株植物?！? 杰瑞米·英格蘭有關(guān)生命現(xiàn)象的物理學(xué)研究是基于物理學(xué)最著名也是最值得信任的定律之一：熱力學(xué)第二定律。這個(gè)定律主要是描述熱力學(xué)過程的不可逆，一個(gè)孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)的熵值永遠(yuǎn)趨向于增大。“熵”是熱力學(xué)中用來描述系統(tǒng)混亂程度的一個(gè)指標(biāo)，一個(gè)系統(tǒng)的熵值越大，說明這個(gè)系統(tǒng)的混亂程度也就越高。正是因?yàn)闊崃W(xué)過程的不可逆，這個(gè)定律也被稱為“時(shí)間之箭”。杰瑞米·英格蘭對于生命現(xiàn)象的研究，始于對生命現(xiàn)象的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)研究。生物和非生物的最根本區(qū)別到底在哪里？從熱力學(xué)的角度講，相比于一堆隨意擺放的碳原子來說，生物更善于從周圍的環(huán)境中獲得能量，并且把這些能量以熱量的方式消散出去。 杰瑞米·英格蘭認(rèn)為，這個(gè)基于熱力學(xué)的區(qū)別，正是生命體與非生命體最根本的差異，為此他列出了一個(gè)數(shù)學(xué)公式來描述這種區(qū)別與生命產(chǎn)生的熱力學(xué)過程：一些在溫度恒定的環(huán)境中又可以接收到外來能量（比如太陽）的原子，會(huì)逐漸進(jìn)行自發(fā)的重組，以形成一種更容易消耗更多能量的組織形式——當(dāng)有外在能量注入的時(shí)候，在不違反熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)上，一個(gè)開放（有外部能量注入）的系統(tǒng)有可能通過大量增大它周圍環(huán)境的熵值來維持自身的低熵值，使能量在這個(gè)系統(tǒng)的原子中并不平均分配。這正是生物體和非生物體最根本的熱力學(xué)區(qū)別。因此，根據(jù)杰瑞米·英格蘭的理論，一組原子在一定條件下實(shí)行自發(fā)重組的過程，有可能正是生命產(chǎn)生的關(guān)鍵過程，而且，這個(gè)過程并不需要過多的偶然性。 現(xiàn)在，31歲的物理學(xué)助理教授杰瑞米·英格蘭在美國麻省理工學(xué)院成立了一個(gè)研究小組，主要研究生命現(xiàn)象中“自然選擇”的物理學(xué)本質(zhì)。他認(rèn)為，生物很善于收集周圍環(huán)境的信息，進(jìn)而進(jìn)化出更合適與周圍環(huán)境發(fā)生互動(dòng)和自我復(fù)制的方式，生命本身就是一個(gè)進(jìn)行決策和發(fā)揮不同功能的過程。但是在另一方面，生物自身也是由原子構(gòu)成，必須遵守物理學(xué)的各個(gè)定律，因此，生物的每一個(gè)細(xì)胞和原子的各種行為也都是在時(shí)空中的物理學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)化本身包含了對生物體自身并不完美的自我復(fù)制，同時(shí)這個(gè)自我復(fù)制的過程也要受到周圍環(huán)境的影響。但究竟是環(huán)境的哪些性質(zhì)在影響生物的自我復(fù)制？這位受過物理學(xué)和生物學(xué)教育的科學(xué)家希望找出生命演化的物理學(xué)基礎(chǔ)。2013年8月21日，杰瑞米·英格蘭在《化學(xué)物理雜志》（Journal of Chemical Physics）上發(fā)表論文《自我復(fù)制的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》（Statistical Physics of Self-replication），描述了他對于生物自我復(fù)制行為的理解。 對于生命現(xiàn)象的熱力學(xué)解讀，是否在某種程度上否定了達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說？杰瑞米·英格蘭認(rèn)為恰恰相反，這種對于生命現(xiàn)象的熱力學(xué)解讀是從另一個(gè)角度支持達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說。生命進(jìn)化的過程，可能正是一個(gè)系統(tǒng)逐漸演化為更善于從外界環(huán)境吸收和釋放能量到周圍環(huán)境的過程，也就是說，這個(gè)有關(guān)生命現(xiàn)象的熱力學(xué)理論，可能是對達(dá)爾文學(xué)說一個(gè)更基礎(chǔ)的解釋，達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說則可能只是這個(gè)基礎(chǔ)理論的一個(gè)體現(xiàn)。從熱力學(xué)的角度，消耗更多能量的一個(gè)好方法就是自身復(fù)制，而這可能正是生物中遺傳物質(zhì)核糖核酸（RNA）產(chǎn)生的原因。 杰瑞米·英格蘭的理論目前已經(jīng)吸引了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，它是否可能得到進(jìn)一步的證實(shí)？已經(jīng)有幾位科學(xué)家提出了檢驗(yàn)這個(gè)理論的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。杰瑞米·英格蘭本人正在研究系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的演化是否向著更加容易耗散能量的方式演進(jìn)，接下來，還有可能在生物學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究。哈佛大學(xué)的生物物理學(xué)家瑪拉·普倫蒂斯（Mara Prentiss）教授則認(rèn)為，可以在生物學(xué)領(lǐng)域中通過研究細(xì)胞突變對細(xì)胞的復(fù)制能力和能量耗散能力的影響來進(jìn)一步檢驗(yàn)杰瑞米·英格蘭的理論。這個(gè)理論對于非生物系統(tǒng)的研究也同樣具有啟發(fā)意義，因?yàn)樵谧匀唤缰?，一些非生物的系統(tǒng)同樣存在自我復(fù)制和自組裝（Self-assembly）的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象同樣有可能通過杰瑞米·英格蘭的熱力學(xué)理論給出合理的解釋。 生命如此神奇，作為宇宙中已知的唯一一個(gè)充滿生機(jī)的行星上最具智慧的生物，人類不可能不對生命本身充滿好奇。生物與非生物之間的界限，不僅是一個(gè)生物學(xué)課題，也涉及物理學(xué)、哲學(xué)和其他學(xué)科。大名鼎鼎的物理學(xué)家艾爾文·薛定諤在1944年就曾經(jīng)出版小冊子《生命是什么》，試圖從物理學(xué)的角度解讀生命的本質(zhì)。可以說杰瑞米·英格蘭的理論在薛定諤的基礎(chǔ)上更近了一步，把人類對于生命的理解放置到了一個(gè)更加基礎(chǔ)的位置上，把生命的產(chǎn)生和演化同樣歸于自然現(xiàn)象的一部分，這可能會(huì)給生物學(xué)研究帶來啟示。但即使這個(gè)理論在某種程度上被證實(shí)，可能也仍然無法解釋生命現(xiàn)象中更為復(fù)雜的問題，例如對于人類“意識(shí)”本質(zhì)的研究，以及人類自身與宇宙的關(guān)系。 |
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