在物理学的语言里,“生命”是什么?

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什么是物理语言中的“生命”?

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“想象一种语言就像想象一种生活方式。”

--- Ludwig Wittgenstein,《哲学研究》

当今世界的人们使用大约6,800种不同的语言。并非每个单词都可以在不同语言之间完美地翻译,有时意义落入语义的裂缝中。例如,日语单词wabi-sabi(牦牛或不完整的美)没有相应的英文单词;同样是德语单词Waldeinsamkeit(独自在树林中孤独的孤独感)。

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“620-750nm波长”的平移。 “温度”是“一组粒子的平均速度”的平移。翻译越复杂,它给出的意义就越多。 “重力”是指“时间和空间的几何”。

生活怎么样?一旦我们看到这个生物,我们就知道生命是什么。达尔文的理论甚至解释了一种生活方式如何演变成另一种形式。但知更鸟和岩石有什么区别?两者都不遵守相同的物理定律吗?换句话说,你如何用物理语言翻译“生命”?有些人认为这个词是不可译的。但也许它只需要合适的翻译,例如31岁的麻省理工学院物理学助理教授杰里米英格兰。

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两台太阳能机器:树木和太阳能电池板吸收和转换太阳能,并将热量释放到周围环境中。物理学家如何解释为什么只有树木才是生物?

杰里米英格兰创造了一种名为“耗散适应”的新理论,据说这有助于解释复杂的,类似生命的功能如何能够自我组织并从简单甚至无生命的物质中产生。这一理论为英格兰赢得了一个不受欢迎的绰号:下一个达尔文。

“我认为观察者如何实现这一功能真是太棒了,”杰里米说。我们来看看DNA聚合酶。在生物学中,其功能是将核苷酸组合成新的DNA分子,其由碱基,糖和磷酸组成。 “当你理解这个过程时,你会觉得一切看起来都很?幸庖澹斡胝咚坪跽诠餐κ迪帜勘辏庇⒏窭妓怠? “然而,这些东西几乎与无机物无法区分。你把它们分成更小的碎片,它们只能旋转和振动。

在哈佛大学攻读本科学位时,英格兰与生物物理学家Eugen Shakhnovich合作研究蛋白质折叠。每种蛋白质由相同的20种氨基酸组成。然而,一旦折叠,每种蛋白质开始执行生命所需的特定功能。 “氨基酸不会为你写一首十四行诗,”英格兰说。 “但是当你把数百个字符串组合在一起时,突然间你会得到一台似乎有特定用途的机器。

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维特根斯坦认为,一个词的意义取决于它的语境,而语境是由使用它的人决定的。

不知何故,这些摇摆的齿轮有其目的。单个组件似乎遵循物理学的基本定律,但组合时它们会产生功能。在物质世界中,似乎没有功能这样的东西:时间和空间是时间和空间,不是出于任何明确的原因。在生物学中,系统是为了行动而生,它们是移动,催化和合成的。 “功能”区分生活和非生命;这个词只用来描述生物,还是别的什么?在2014年瑞典卡罗林斯卡研究所的一次演讲中,英格兰告诉观众,物理学不区分生命和非生命,但生物学有区别。

在获得博士学位后,英格兰是普林斯顿大学的研究员。他有时会开车去纽约找一点哲学游戏。朋友们将把英格兰带到熟悉的下东区,并与他谈论哲学家路德维希维特根斯坦。

维特根斯坦独自生活在挪威森林中一段时间 - 即所谓的Waldeinsamkeit,在那里他学习了所谓的“语言游戏”,这是一套关于交流的公约。一些哲学家认为,一个词的意义与外部世界的实体联系在一起。然而,维特根斯坦认为一个词的含义取决于用户确定的上下文。玩语言游戏就像用密码说话 - 如果对话中的两个人非常熟悉他们所参与的活动场景,他们可以用更少,更简单的词进行交流。不同的人群 - 音乐家,政治家,科学家 - 玩满足他们需求的游戏。新的语言游戏不断涌现。意思正在改变,而言语也在改变。

“维特根斯坦的这种想法也在别处被发现,例如希伯来圣经的开头,”英格兰说。

“起初,上帝创造了天地.”在这里,希伯来文的“创造”是bara,“day”是shamayim,“land”是aretz;但英格兰说,他们的真正含义只有在下面的背景下才最终出现。例如,bara或创建是命名事物的过程;创造是语言游戏的创造。 “上帝说如果有光,就会有光。”上帝通过说出光的名字来创造光明。 “我们对这句话非常熟悉,当我们真正开始考虑这句话时,很容易忽略其最简单的含义,”英格兰说。 “我们称之为光明,我们拥有让我们看到世界的光芒。”英格兰认为,如果你想用物理语言描述生物学,这是非常重要的一点。

作为麻省理工学院的一名年轻教员,英格兰不想停止学习生物学或放弃对理论物理学的思考。 “这两件事所使用的语言完全不同。如果你不想放弃,你必须翻译它。”英格兰说。

在犹太传统中,“奇迹”并不一定违反自然规律。奇迹不是那么宏伟 - 恰恰相反,奇迹是一种以前被认为是不可想象的现象。目睹奇迹需要重新定义先前的假设来解决冲突,他们必须从新的角度开始关注世界。

对于精通统计力学的物理学家来说,生活就是一个奇迹。热力学第二定律表明,对于封闭系统 - 例如坦克中的气体或整个宇宙 - 混乱将随着时间的推移而增加。雪将融化成一池水,但一池水不会自然地变成雪花的形状。如果你真的看到一团水变成雪花,你必须认为你正在观看电影回放,就像回想起来一样。根据热力学第二定律,大量粒子的群体行为是不可逆转的,因此我们将使用“过去”,“现在”和“未来”这两个词。

时间之箭总是指向无序的方向。然而,生命之箭指向相反的方向。简单而无趣的种子长成复杂的花,从无生命的土地上生长茂密的森林。为什么支配“生命”原子的规则和支配宇宙中其他原子的规则有如此大的区别?

1944年,物理学家薛定谔(Schr_dinger)试图在他的书[0x9A8b]中解释这个问题(什么是生命?)他意识到盒子里的气体是一个封闭的系统,而活体是一个开放的系统。也就是说,生命体允许自身和周围环境之间的能量转换。生命在保持内部秩序的同时向环境释放热量,使宇宙的熵整体增加,热力学第二定律仍然成立。

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蛋白质和酶比我们想象的更容易发生。

与此同时,薛定谔发现了第二个秘密。他认为产生时间之箭的机制与产生生命之箭的机制是非常不同的。时间之箭来自于大样本的统计数据当你有足够多的混乱无序的原子时,无序组合总是比有序组合多得多,因此它们产生有序状态的几率为零。但对于生命来说,即使在微观尺度上,有序性和不可逆性仍然存在,构成生命的原子数量也少得多。在这个数量级上,原子的数量不足以从统计学上形成热力学第二定律。例如,生命的基本组成部分,RNA和DNA的组成单位,核苷酸,仅由30个原子组成。尽管如此,Schr_dinger发现基因密码的保存是非常好的,有时它可以持续数百万代。”耐力几乎是奇迹。

那么,基因是如何抵抗腐朽的呢?为什么易受攻击的分子不会散开?必须有比统计更深刻的原理来扮演一个角色,这样一小部分原子就可以自发地不可逆地开始并成为一个生命。

在Schrdinger的前半个世纪,英国化学家Gavin Crooks首先用数学方法描述了微观不可逆性。克鲁克斯在1999年发表的一个公式表明,只要能耗散自身能量,外部能量驱动的小型开放系统就会发生不可逆转的变化。

想象一下,你站在栅栏前。你想去另一边,但是围栏太高而无法跳跃。朋友递给你一个弹簧高跷,你可以用它跳过然后跳回来。外部能源如春高粱可以让你可逆。

想象一下,这次,你的朋友会给你一个喷气背包而不是一个弹簧高跷。你点燃围栏上的喷气背包。当您穿过围栏时,喷气背包将消耗燃料并将能量释放到周围空气中,因此当您着陆时,您的喷气背包无法让您回到围栏上。你只能呆在栅栏的另一边,你的变化是不可逆转的。

克鲁克斯表明,一组原子可以通过外部能量改变它们的结构 - 就像跳过篱笆一样。如果原子在变化时耗散能量,则变化可能是不可逆转的。他们可以使用下一个能量爆发回转,但有时它们将转变为一个全新的状态,然后逐步通过能量耗散。能量耗散不能确保不可逆性,但不可逆性必须具有能量耗散。

克鲁克斯的结论是普遍的,适用于任何离开平衡的系统,包括生物。然而,英格兰认为“对于具有大量能量消耗的大型,凌乱,多体系统,结论可能需要更加谨慎。结论似乎是正确的,但可能在计算上难以操作。“2013年在加州理工学院期间,英格兰继续计算酒店房间里克鲁克斯的公式。从Crooks公式可以推断,为了获得生命的标志性不可逆性,系统必须具有特别好的吸热和散热能力。但是英格兰知道真相并不止于此。

“就像总是在原点周围旋转一样,”他说。 “有时我把问题放下来,可以想到不同的事情。当你回来时,你会发现墙上有一个空隙。“

英格兰终于想到了答案。在能量源固定的某些情况下,一些特定的原子排列可以比其他原子更好地吸收和消耗能量,因此更容易完成不可逆转换。随着时间的推移,如果某些系统变得特别适合这一过程,这一系列不可逆转换将成为综合的独立功能。英格兰写了第二个热力学定律,它考虑了系统的耗散历史,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,他解释说:

作品的状态。这种现象是耗散的适应。

当然,原子系统并不是有目的的 - 迷宫般的道路。”对于英格兰来说,这种翻译似乎是正确的。什么是物理语言中的“生命”?英格兰称之为“耗散适应”。

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尽管耗散的适应性使我们听起来像是太阳的冷却塔,但这一理论的内涵远不止于此。达尔文的自然选择已成为广义耗散适应现象的一个特例,就像语言中的方言一样。耗散适应发生在微观尺度上,而自然选择发生在宏观世界的自我复制者中,自我复制是消耗和消耗能量的好方法。在耗散适应的语言中,术语“适应性”具有新的含义。东北大学物理学助理教授Meni Wanunu表示,“在耗散适应中,适应性不是由一系列最优函数定义的,而是系统与环境中可用能量之间的关系。”系统能耗与漂移在一个不可逆转的方向,这变得“特殊”,但不完美或理想。 “鸟类不是飞行的最佳选择,”英格兰说。 “但就飞行而言,鸟类比石头或蠕虫更强大。

这一理论迫使我们重新思考使生活如此特殊的不同寻常的功能。在没有外力的帮助下,复杂的功能从一组彼此影响较小的粒子中浮现出来。这个过程现在可以分解为由外部驱动的一系列小的不可逆转的变化。蛋白质和酶比我们想象的更容易发生。 “我们可能不需要准确地从数以亿计的自我复制氨基酸序列中挑选候选物,”英格兰说。 “自组织的时间范围可能比我们想象的要快。如果我们能够说服自己,生命的起源看起来更像是一个斜坡或楼梯,并且许多微小的变化导致它朝着正确的方向发展,那么这至少可以完全改变。我们考虑生命起源的方向。“

这个理论不仅有助于我们回顾过去,还带来了新的设计和工程方法。 “如果你只是想模仿生物体所做的事情,而不是模仿生活本身,那么你可能需要做的事情要少得多。”一个可能的例子是英格兰大学正在研究的“紧急计算”。目标是使粒子系统能够在不接收任何设计指令的情况下发展其预测环境变化的能力。毕竟,在波动的环境中良好的吸收和能量消耗需要一定程度的预测能力。英格兰认为:“如果我们能够成功地做到这一点,就意味着系统中的粒子以某种方式相互作用,并且可以根据过去的统计数据有效地实现未来的计算。这可能会影响基于预测的功能。技术,从神经网络到预测票价的程序。

这是翻译的神奇力量。如果实验成功,那将是耗散适应理论的最好证明。 Wanunu对此仍有所保留:“英格兰提出了一套新的想法,但需要通过实验验证。”哈佛大学系统生物学副教授Jeremy Gunawardena并不完全赞同这一理论:“Jeremy我想避免化学反应并且会活下去。这种出现完全被认为是一种生理必需品。我不相信。但是,我很高兴看到他正试图解决这个问题,我相信我们会学到很多有趣的东西。“

这是公平的说法。毕竟,根据Umberto Eco的说法,“翻译是失败的艺术。”这种新翻译是否会失败仍然是未知数。最后,可能不只有一种语言表达了生活的复杂性,而英格兰只是希望我们尝试一种新的语言。在去年的《生命是什么?》杂志中,他写道:“世界上有不止一种语言。上帝希望人们掌握所有这些语言。”

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