物理学中的“生命”怎么说?

J英国人关心的是词语——词语的意思，词语所包含的宇宙。他回避“意识”和“信息”等词语;他说，太饱了。太危险了。当他在寻找合适的话语的时候，他的声音会有一点停顿，分散在一两个八度，然后恢复流畅的声音。

他的谨慎是可以理解的。这位34岁的麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)物理学助理教授提出了一种名为“耗散适应性”(dissipative adaptation)的新理论，该理论帮助解释了复杂的、类似生命的功能是如何从包括无生命物质在内的简单事物中自我组织并出现的。这一主张为英国赢得了一个不太受欢迎的绰号:下一个查尔斯·达尔文。但是英格兰的故事不仅是关于生物，也是关于语言的。

不同的科学领域本身也是语言，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，含义就越深刻。“重力”是指“时空的几何学”

生活怎么样?当我们看到生命时，我们以为自己了解它。达尔文的理论甚至解释了一种生命形式是如何进化成另一种生命形式的。但是当知更鸟和岩石都遵循相同的物理定律时，它们之间有什么区别呢?换句话说，物理学中的“生命”怎么说?有些人认为这个词是不可翻译的。但也许它只是需要正确的翻译。

W当其他12岁的男孩在读漫威漫画时，英格兰在读遗传学卡通指南.封面描绘了一种遇到静脉水下DNA寿命股线的水肺潜水员。里面是生物学基础之旅，从核糖体到植物性别。英格兰立即感兴趣。

“我认为这真的很奇妙，因为分子是如何通过分子完成的，”他告诉我。英格兰讨论沸腾，用手讲话，在他的脑袋上戴着kippah。

以DNA聚合酶为例，他说。从生物学的角度来说，它的工作是通过组装核苷酸来创造新的DNA分子，核苷酸由化学碱基、糖和磷酸组成。“当你看到这个故事展现在你面前时，一切都说得通——在我们看来，它只是在努力实现一个目标，”英格兰说。然而，这些东西与无生命的物质几乎无法区分。你把它们弄成更小的碎片，它们就只能旋转和振动。”

在哈佛大学(Harvard University)读本科时，他与生物物理学家尤金·沙克诺维奇(Eugene Shakhnovich)一起研究蛋白质折叠。蛋白质数据库中保存着详细描述“美丽描绘的丝带和床单”的文件，这些文件按属性用颜色编码。每一种蛋白质都由20种相同的氨基酸组成。然而，无论如何，一旦它们被折叠成形状，每一个都会执行生命所必需的特定而重要的过程。“氨基酸不能给你写一首十四行诗，”英格兰说。“但当你把几百个字母串在一起时，突然之间，你就得到了一台看起来像是为特定目的而制造的机器。”

Wittgenstein认为，单词的意义取决于其背景，由正在使用的人确定的背景。

不知何故，从盲目齿轮的转动中，某种类似目的的东西出现了。这些个体只遵循基本的物理定律，而集体累积功能。在物理学的世界里，功能似乎是不存在的:时间和空间没有任何明确的理由存在，只是存在而已。在生物学中，系统是经过微调来行动的。移动，催化和建造“功能”这个词在生命和非生命之间摇摆不定。它是我们用来形容那些看起来栩栩如生的事物的词，还是一种更固有的东西?正如2014年英格兰在瑞典卡罗林斯卡学院(Karolinska institute)告诉观众的那样，物理学并没有区分生命和非生命。但是生物学。

在他的博士后，当他是普林斯顿的研究员时，英格兰有时会赶到纽约市，从童年时代来探望他最古老的朋友哲学专业。他的朋友将英格兰带到了他最喜欢的下游困扰着，并从事关于奥地利英国哲学家Ludwig Wittgenstein的长时间谈话。

维特根斯坦一生中有一部分时间是在挪威的森林里度过的waldeinsamkeit并写了所谓的“语言游戏”，或关于交流的共同惯例。一些哲学家坚持认为，一个词的意义存在于这个世界的物理对象中。然而，维特根斯坦认为一个词的意思取决于它的上下文，而上下文是由使用它的人决定的。玩语言游戏有点像用密码说话——如果两个人参与的活动双方都能很好地理解，他们可以用更少、更简单的单词让自己的声音被听到。不同群体的人——音乐家、政治家、科学家等等——使用语言游戏来满足他们各自的需求。新的语言游戏不断涌现。意思改变了形状。话适应。

“在制作那种点的时候，他正在引导同样的想法，即我也找到了希伯来圣经的开放通道，”英格兰说。

“在一开始，上帝创造了天堂和地球......”这里，希伯来语“创造”是巴拉在美国，“天堂”这个词是shamayim“地球”这个词是aretz.;但是，他们的真实含义，英格兰说，只有在以下经文中才能通过他们的背景来观看。例如，它变得清楚巴拉，创建，需要一个名称的过程;世界的创造是创造语言游戏。“上帝说，'让那里有光线，'和有光明。”上帝通过说出名字来创造光线。“我们已经听到这句话这句话如此多的时候，当我们足够大时要思考它，我们很容易错过最简单的点，”英格兰说。“我们看到世界的光线来自我们谈论它的方式。”如果您试图使用物理语言来描述生物学，这可能很重要。

这是他被迫做的。作为麻省理工学院的一名年轻教员，他既不想停止学习生物学，也不想停止思考理论物理学。他说：“当你拒绝放弃两件在谈话方式上存在分歧的事情时，就会迫使你朝着翻译的方向前进。”

我在犹太传统中，“奇迹”并不一定违背自然法则。相比之下，它们没有那么宏大，奇迹是一种以前被认为不可想象的现象。这一奇迹的见证人被要求重新构建他们的假设并解决矛盾。简言之，他们必须开始用新的眼光思考自己的世界。

对于精通统计力学的物理学家来说，从这个意义上讲，生命可以显得不可思议。热力学第二定律要求，对于一个封闭的系统——比如盒子里的气体，或者整个宇宙——无序性必须随着时间的推移而增加。雪融化成一个水坑，但水坑不会(自己)自发地形成雪花的形状。如果你看到一个水坑这样做，你会认为你是在看一场倒转的电影，仿佛时间在向后移动。第二定律对大群粒子的行为施加了不可逆性，让我们可以玩像“过去”、“现在”和“未来”这样的词


时间点的箭头在无序方向上。然而，生活的箭头指出相反的方式。从一个简单的，沉闷的种子生长了一个错综复杂的结构花，来自无生命的地球，森林和丛林。关于我们称之为“生命”的原因的规则如何与那些管辖宇宙中其余原子的原子彻底不同？

1944年，物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）在一本名为生活是什么？。他认识到，与盒子里的天然气不同，生物有机体是开放的系统。也就是说，他们承认自己与更大的环境之间的能量转移。即使生活维持内部秩序，它对环境的热量损失也允许宇宙根据第二法律体验熵（或紊乱）的整体增加。

蛋白质和酶等物质的产生可能比我们想象的要容易。

与此同时，Schrödinger指出了第二个神秘。他说，引起时间箭头的机制不能是相同的机制，它产生了生活箭头。时间的箭头来自大数字的统计数据 - 当你有足够的原子碾磨时，简单地有许多更混乱的配置，而不是订购的配置，使他们绊倒成更有序的状态是零的。但是，当涉及生命时，即使在显微尺度上也必须统治秩序和不可逆转的情况下，游戏中的原子较少。在这种规模上，原子没有足够大的数字来统计数据，以产生像第二法这样的规律。核苷酸 - RNA和DNA的结构块，寿命的基本组分 - 例如仅由30个原子制成。然而，Schrödinger注意到，遗传密码不可能很好地保持，有时超过数百万代“，”持久性或持久性地在奇迹上。“

那种基因如何抵抗腐烂？它如何在其脆弱的重量下崩溃？比统计数据更深入的东西，可能允许小组原子以防止他们的自发，并成为“活着的东西”。

半个世纪后，当英国化学家加文·克鲁克斯首次用数学方法描述了微观不可逆性时，线索出现了。在1999年发表的一个单一方程中，克鲁克斯证明了一个由外部能量源驱动的小型开放系统可以以一种不可逆的方式改变，只要它在变化时耗散它的能量。

想象你站在栅栏前。你想到另一边去，但是栅栏太高跳不过去。然后一个朋友递给你一根弹簧单高跷，你可以用它跳到另一边。但一旦你到了那里，你可以使用相同的弹簧单高跷再次跳过栅栏，并回到你开始的地方。外部能量来源(弹簧高跷)可以让你做出改变，但这种改变是可逆的。

现在想象一下，而不是一个pogo棒，你的朋友递给你一个喷气式包装。你射击了喷气包，它会在围栏上发射你。当你清理围栏时，喷气机包装将其燃料渗透到周围的空气中，因此在你的土地上，你的包装中没有足够的能量让你再次让你回到围栏。你被困在远方。你的变化是不可逆转的。

克鲁克斯证明，一组原子同样可以接受外部能量的爆发，并利用它将自己转变为一种新的结构——也就是说，跃过栅栏。如果原子在变换时消耗了能量，那么这种变化可能是不可逆的。它们总是可以利用下一次爆发的能量来转换回来，而且它们经常会这样做。但有时他们不会。有时他们会利用下一次爆发来过渡到另一种新的状态，再次消耗他们的能量，一步一步地转变自己。这样，耗散并不保证不可逆性，但不可逆性需要耗散。

克鲁克斯的结果是非常普遍的，适用于任何系统失衡的变化，包括潜在的生命。但是，England说，“对于如何看待一个庞大而混乱的多体系统，其中包含大量的耗散，这可能是一个值得注意的问题。这些结果似乎是真实的，但可能难以计算。”2013年，当英格兰在加利福尼亚州加州理工学院演讲时，他一直在旅馆房间里玩克鲁克斯方程的变量。从克鲁克斯方程可以清楚地看出，为了实现生命的一个标志——不可逆性，一个系统需要特别善于吸收和散热。但他知道这不是全部。

他说:“这就像是在同一个基本点附近徘徊。”“然后你把它放下，睡觉，想着不同的事情。当你回头看的时候，有时墙上有个开口。随着时间的流逝，你会得到不同的东西。”

最后,点击。给定一种特定的能量来源，原子的某些排列会比其他排列更善于吸收和消耗这种能量。这些排列更有可能发生不可逆的变化。如果随着时间的推移，某些系统在这方面比其他系统做得更好呢?然后，这一系列不可逆的转变就变成了一种复合的效果，使它自己靠自己的力量上升。英格兰拿起铅笔，在纸上写下了热力学第二定律的概括性，该定律考虑了一个系统的耗散历史，他说，它阐明了生命的结构和功能的出现。在去年年底的一篇论文中，他是这样说的:

虽然系统的任何给定形状变化大多是随机的，但当系统恰好在吸收和耗散功方面暂时更好时，这些结构变化中最持久和不可逆的变化就会发生。随着时间的推移，这些不太可擦除的变化的“记忆”优先累积，系统越来越多地采用类似于其历史中发生耗散的形状。回顾这一非平衡过程产品的可能历史，我们会发现，这种结构似乎自组织成了一种“很好地适应”环境条件的状态。这就是耗散适应现象。^1.

当然，一个原子系统并没有试图做任何事情——它只是盲目、随机地移动自己。然而，通过它从一种形状到另一种形状的过程，一系列的化学故事，它自我组织成某种在我们看来已经适应了的东西。“语言是迷宫般的道路，”维特根斯坦说。对英国来说，这种翻译是正确的。How do you say物理学中的“生活”？他称之为“耗散适应”。

我听起来可能听起来好像耗散适应减少我们以仅仅为阳光冷却塔。但理论意味着不止于此。达尔文自然选择可以重新获得一种特殊情况，即耗散适应的更广泛现象，一种更基本的语言的方言。虽然在微观规模上发生耗散适应，但在宏观自助复制器的世界中发生自然选择。自我复制是消耗和消散能量的绝佳方式。在耗散适应的语言中，像“健身”一样对新含义。“本文没有以一系列最佳功能定义的健身，而是因为它与环境中可用能源的”提供“的关系，”东北大学物理学助理教授Meni Wanunu说。随着系统散发能量，它们以不可逆转的方向漂移，通过这样做变得“卓越”，因为英格兰放置，而不是完美或理想。“一只鸟不是飞行的全球最优，”英格兰说：“这比飞行比岩石或蠕虫更好。”

理论挑战我们重新思考使生活特别的卓越功能：“我们在我们寻找功能的地方有更多的灵活性，”英格兰说。从弱交互粒子集合的复杂功能的出现现在是一个可以分解为由外部驱动驱动的许多小不可逆变换的过程。蛋白质和酶等物质的产生可能比我们想象的要容易。“这可能不是精致选择自我复制的氨基酸序列的问题，”英格兰说。“您可能会有更快的时间尺度可以自组织。如果我们可以说服自己的生命的开始看起来更像是一个斜坡或楼梯，那么朝着正确的方向上点的较小增量变化，那么这可能至少重置我们应该想象哪些场景的概念。“

该理论不仅仅是帮助我们对过去 - 它还表明了新的设计和工程方法。“如果我想模仿一些生活的事情，也许它不必像我认为的那样模仿生物。”一个例子可能是一个名为“紧急计算”的东西，英格兰和实验室的成员目前正在学习。目标是让粒子的系统发展，以发展能够预测其环境的变化，而无需接收关于如何执行此操作的任何设计说明。毕竟，在波动环境中吸收和消散能量，恢复良好，毕竟需要一定程度的预期。“如果我们成功地这样做，该论点就是某种方式，系统中的粒子正在以有效地实现关于过去的统计数据来实现关于未来的计算，”英格兰说。这可能会影响基于预测能力的技术，从神经网络到告诉我们何时购买飞机票的机器人。

这就是翻译惊人的力量。如果它有效，它可能是耗散适应所需的布丁中的证据。目前，瓦努努对此事持保留态度。英格兰提出了一套新的成分。布丁最后会变成什么样子，将会是令人兴奋和有趣的。”哈佛大学(Harvard University)系统生物学副教授杰里米·古纳瓦德纳(Jeremy Gunawardena)也不完全认同这种方法。他说:“杰里米希望他可以避免思考化学问题，把抽象的生命本质看作是一种生理需要。”“我不相信。然而，我认为他正在研究这个问题是很好的，我相信我们会从中学到一些有趣的东西。”

这足够公平。毕竟，用乌伯特后期生态的话来说，“翻译是失败的艺术”。该品牌翻译中的故障和权衡仍然被发现。在一天结束时，可能没有，只是一种表达生命复杂的一种语言。但英格兰希望我们尝试一个新的。他这样做了评论去年的杂志：“有一个以上描述世界的可行语言，上帝希望人们说出所有人。”

艾利森·艾克(Allison Eck)是一名科学作家和数字副制片人网上新星。她住在波士顿。

参考

1.英格兰，J.L.驱动自组装中的耗散适应。纳米技术10，919-923（2015）。