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”是短语“620-750纳米波长”的翻译。“温度”是“一组粒子的平均速度”的翻译。译文越复杂，所表达的意思就越多。“重力”的意思是“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．封面描绘了一名戴着水肺的潜水员遇到了一根真人大小的水下DNA链。里面是生物学基础知识之旅，从核糖体到植物性。英国立刻被激起了兴趣。

他告诉我:“看到分子是如何完成功能的，我觉得这真是太神奇了。”英格兰说话热情，用他的手，头上戴着一顶犹太毡帽。

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。”

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。

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。

在获得博士学位后，当他在普林斯顿大学做研究员时，英格兰有时会开车去纽约看望他儿时的老朋友，一个主修哲学的人。他的朋友带着英国人去了下东区他最喜欢去的地方，和他长篇大论地聊起了奥英混血的哲学家路德维希·维特根斯坦(Ludwig Wittgenstein)。

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。

英格兰说:“在阐明这一观点的过程中，他传达了我在《希伯来圣经》的开篇段落中也发现的同样的思想。”

“起初，上帝创造了天地……”这里，希伯来语中"创造"的意思是巴拉在美国，“天堂”这个词是shamayim，而“地球”的单词是aretz；但英格兰说，它们的真正含义只有在下面的诗句中通过上下文才能看到。例如，很明显巴拉创造是一个给事物命名的过程;创造世界就是创造一种语言游戏。神说，要有光，就有了光。上帝通过说出光的名字创造了光。英格兰说:“这句话我们已经听过很多次了，以至于当我们长大到足以思考它的时候，我们很容易忽略了它最简单的一点。”“我们看待世界的方式决定了我们看待世界的方式。”英格兰人想，如果你想用物理学的语言来描述生物学，这可能很重要。

他不得不这么做。作为麻省理工学院的一名年轻教员，他既不想停止生物学的研究，也不想思考理论物理学。他说:“当你拒绝放弃两种不同的语言时，就会迫使你转向翻译。”

我在犹太传统中，“奇迹”并不一定违背自然法则。它们没有那么宏大——相反，奇迹是一种以前被认为是不可想象的现象。这一奇迹的目击者被要求重新构建他们的假设，并解决矛盾。简而言之，他们必须开始用新的眼光看待他们的世界。

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


时间的箭头指向无序的方向。然而，生活之箭却指向相反的方向。从一个简单的，沉闷的种子生长出一个复杂的结构花，从无生命的地球，森林和丛林。支配那些我们称之为“生命”的原子的规则，怎么会与支配宇宙中其他原子的规则如此不同呢?

1944年，物理学家欧文Schrödinger在一本小书中解决了这个问题生命是什么?。他认识到，活的有机体不像盒子里的气体，是开放的系统。也就是说，他们承认自己和更大的环境之间的能量转移。即使生命维持其内部秩序，它向环境释放的热量也会让宇宙按照第二定律的规定经历熵(或无序)的总体增加。

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指出了第二个谜题。他说，产生时间之箭的机制不可能与产生生命之箭的机制相同。时间的箭头来自于大量的统计数据——当你有足够多的原子在周围旋转时，无序的结构比有序的结构要多得多，它们陷入更有序状态的几率为零。但当涉及到生命时，秩序和不可逆性甚至在微观尺度上也必须占主导地位，因为发挥作用的原子要少得多。在这个尺度下，原子的数量不足以让它们的统计数据产生像第二定律那样的规律。例如，核苷酸——RNA和DNA的基本组成部分，生命的基本组成部分——仅由30个原子组成。然而，Schrödinger指出，遗传密码难以置信地保持良好，有时超过数百万代，“具有持久性或持久性近乎奇迹。”

那么基因是如何抵抗衰老的呢?它怎么能在脆弱的重压下不崩溃呢?必须有比统计学更深层次的东西在起作用，它可以让小群原子不可逆地自力更生，成为某种“有生命的”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，你的朋友递给你的不是弹簧高跷，而是一个喷气背包。你点燃喷气背包，它就会把你扔过围栏。当你越过围栏时，喷气背包会将燃料释放到周围的空气中，这样当你着陆时，背包里就没有足够的能量让你再次越过围栏。你被困在了另一边。你的改变是不可逆转的。

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，适用于任何非平衡系统的变换——包括潜在的生命。但是，英格兰说，“对于一个庞大的、混乱的、有大量耗散的多体系统该说些什么这个问题，人们也许是谨慎的。”这些结果似乎是正确的，但可能很难进行运算。”2013年，当英格兰在加州理工学院做演讲时，他一直在酒店房间里摆弄克鲁克斯方程的变量。从克鲁克斯方程可以清楚地看出，为了达到生命的标志——不可逆性，一个系统需要特别擅长吸收和散热。但他知道这并不是全部。

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:

虽然任何给定的形状变化对系统来说大多是随机的，但当系统碰巧在吸收和耗散功方面暂时更好时，结构上的这些变化是最持久和不可逆的。随着时间的推移，这些难以抹去的变化的“记忆”优先积累，系统越来越多地采用与历史上耗散发生时相似的形状。回顾这一非平衡过程的产物的可能历史，我们会发现，这种结构似乎已经自我组织成一种“非常适应”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。物理学中的“生命”怎么说?他称之为“耗散适应”。

我听起来好像耗散适应使我们变成了太阳的冷却塔。但这个理论的意义远不止于此。达尔文的自然选择可以被重新定义为更普遍的耗散适应现象的一个特例，一种更基本的语言的方言。耗散适应发生在微观尺度，自然选择发生在宏观自我复制因子的世界。而自我复制是消耗和耗散能量的极好方式。在耗散适应的语言中，像“fitness”这样的词有了新的含义。美国东北大学(Northeastern University)物理学助理教授梅尼·瓦努(Meni Wanunu)说:“这里对健康的定义不是一组最佳功能，而是它与环境可用能量之间的‘给予和获取’关系。”当系统耗散能量时，它们就会朝着不可逆转的方向漂移，这样就会变成“例外”，用英国的话说，不是完美或理想的。“鸟类并不是最适合飞行的，”英格兰说，“它只是比石头和虫子更擅长飞行。”

这个理论让我们重新思考让生活变得特别的非凡功能:“我们在寻找功能的地方有更多的灵活性，”英格兰说。从弱相互作用的粒子集合中产生的复杂函数，没有任何强协同，现在是一个可以被分解成许多由外部驱动的小的不可逆变换的过程。蛋白质和酶等物质的产生可能比我们想象的要容易。England说:“这可能不是在漫长的自我复制过程中精心选择氨基酸序列的问题。”“你可能有更快的时间尺度来自我组织事情。如果我们能够说服自己，生命的开始看起来更像一个斜坡或楼梯，有许多指向正确方向的较小的增量变化，那么这至少可能会重置我们应该想象的情景的概念。”

这个理论不仅帮助我们回顾过去，还为我们提供了新的设计和工程方法。“如果我想模仿生物所做的事情，也许它并不需要像我想象的那样模仿那么多。”一个例子可能是被称为“紧急计算”的东西，这是英格兰和他的实验室成员目前正在研究的。目标是让粒子系统进化出一种预测其环境变化的能力，而不需要接受任何关于如何做到这一点的设计指令。毕竟，要想在波动的环境中吸收和消散能量，需要一定程度的预期。“如果我们成功地做到了这一点，争论将会是系统中的粒子以某种方式相互作用，从而有效地基于过去的统计数据来计算未来，”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。”

这很公平。毕竟，用已故的翁贝托·艾柯(Umberto Eco)的话来说，“翻译是失败的艺术。”这个全新译本的失败和取舍有待发现。在一天结束的时候，也许不可能只有一种语言来表达生活的复杂性。但英格兰想让我们试试新的。他这样放进去的评论“描述世界的语言不止一种，上帝希望人类能说所有的语言。”

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.王志强。耗散适应在驱动自组装中的应用。自然纳米技术10, 919 - 923(2015)。

本文最初发表于2016年3月的《适应》杂志。