生命为什么存在?物理学家怎么看?只不过是熵增的结果而已

生命为什么存在?

传统的生命起源学说认为地球生命起源于原始汤、闪电和有毒的大气,是复杂的生物化学反应的结果(www.shaibu.net)。

但是在物理学家看来,生命的出现只不过是热力学第二定律作用的结果,生命的起源和随后的进化只是遵循基本的自然规律。生命的出现就像是将一个球体放在光滑的斜板上,球体自然而然地滚下斜板一样不足为奇。

从物理学的角度来看,生物和无生命的碳原子团之间有一个本质的区别:有机生命体往往更善于从环境中捕获能量,并将能量转化为热量消散。

杰里米·英格兰(Jeremy England)

31岁的麻省理工助理教授杰里米·英格兰(Jeremy England)提出一个数学公式,他认为生命的出现可以用这个公式解决。公式基于既定的物理学,当一组原子被外部能量源(如太阳或化学燃料)驱动,并被复杂环境(海洋或大气)包围时,它们通常会逐渐重组自己,以消耗过多的能量。这可能意味着,在某些条件下,物质必然地获得与生命相关的关键物理属性。

换句话说就是,如果你用光照射随机的原子团足够长的时间,得到一种植物应该不会令人惊讶!

苔藓细胞叶绿体

杰里米打算用物理法则来解释生命起源和进化而不是取代达尔文的进化论,从物理学的角度来看,达尔文进化只是更普遍现象的特殊情况,而且这个理论对生物基因和种群层次进行了有力的描述。

当然这个天马行空的想法也引发争议,提出这个理论的人不是天才,就是疯子!

有科学家认为认为:这是非常勇敢和非常重要的一步,如果这是真的,将是推动生命起源和进化的基本物理原理。但也有科学家打趣道:想法很有趣,很有前途,但仅是形而上的空中楼阁。

分子自发地组成大分子团

杰里米理论的核心思想是热力学第二定理,也被称为熵增定律,即系统的能量往往随着时间的推进会变得混乱和分散。当系统中的粒子四处移动和相互作用时,它们会自发地倾向于采用能量分散的方式运动。最终,系统达到一种称为"热力学平衡"的最大熵状态,能量在这种状态中均匀分布。例如,一杯热水的最终温度会和它所在环境的温度一致。

虽然熵在孤立或"封闭"的系统中随着时间的推移而增加,但"开放"系统可以通过大幅增加周围环境的熵来保持平衡,即在原子之间不均匀地分配能量。著名量子物理学家欧文·施吕丁格在1944年的专著《什么是生命?》中指出,生命体必须这么做。植物从太阳获取能量,制造糖分,并辐射红外线。虽然宇宙的整体熵在光合作用过程中增加,但是植物通过维持有序的内部结构来防止自身衰变。

生命体并不违反热力学的第二规律,但物理学家还无法用热力学来解释为什么生命会出现。20世纪初,物理学家只能解决封闭系统中的热力学的问题。

20世纪60年代,比利时物理学家伊利亚·普里戈金在预测外部能源微弱驱动的开放系统的行为方面取得进展,获得1977年诺贝尔化学奖。

20世纪90年代,克里斯·贾津斯基(现为马里兰大学)表示热力学过程产生的熵,如一杯热水的冷却,可以用一个简单的比率量化:原子经历这个过程的概率除以它们经历反向过程的概率(即自发相互作用的方式使咖啡升温)。随着熵的增加,这个比例也随之增加,系统变得越来越"不可逆转"。这个简单而严谨的比率公式原则上可以应用于任何热力学过程,无论系统熵增速度有多快或离平衡有多远。

根据贾津斯基的公式,杰里米将热力学第二定律应用于某些特定的粒子系统,这些系统由电磁波或其他外部能量源强烈驱动,能量源将能量注入原始汤。汤中粒子在与驱动力产生共鸣时往往会消耗更多的能量,或者推动粒子向更稳定的方向发展。这意味着在某些环境条件下,被原始汤包围的成群原子或分子团,应该随着时间的推移,倾向于地自发消耗能量与环境变得更和谐,更稳定!

自我复制(从生物学角度来说,是推动地球生命进化的过程),是一个系统可能随着时间推移消耗能量的机制之一。杰里米认为,消散系统多余能量的一个好方法就是更多地自我复制。

原始汤的化学成分、随机突变、环境变化、生物灭绝和无数其他因素促成了地球动植物多样。但根据杰里米的理论,推动整个进化过程的基本原则是物质的能量消散驱动系统。

自我复制球形集群:根据哈佛大学的最新研究,涂层微球表面会导致它们自发地组装成选定的结构。

自我复制原则也适用于无生命的物质,科学家已经观察到非生命系统的自我复制。例如,湍流液体中的涡流通过从周围流体的剪切中提取能量来自发地自我复制。科学家也发现一些具有特殊涂层的微球团通过将附近的球体旋转成形成相同的星团来消散能量。

除了自我复制之外,更大的结构组织是另一种驱动系统提高能量消散能力的方法。例如,与无机碳原子堆相比,植物更善于捕捉和引导太阳能量来塑造自身。因此,认为,在某些情况下,物质会自发地自我组织,这可以解释生物的内部秩序和许多无机结构体。例如雪花、沙丘和湍流漩涡都有一个共同点,它们消耗能量,创造特殊图案结构。

因此,生物和非生物物质之间的区别并不明显,生命体也不过是一堆化学反应的集合体而已。

杰里米目前正在进行计算机模拟计算,测试他的理论,通过粒子系统如何更好地消耗能量调整其结构,以及如何应用于生物界。

许多研究人员说,这个理论将使研究人员对生命体结构和功能的产生有更广阔的视野,它可能会进一步解放生物学家,不再为生物每一种器官功能寻求一种达尔文进化地解释。例如,生物学家可能会发现,生物体显示特征X而不是Y的原因可能不是因为X比Y更合适,而是因为物理法则地约束使得X比Y更容易进化。

(注:尽了最大的努力能让人读懂,有能力建议看原文)

参考文献:

https://www.quantamagazine.org/a-new-thermodynamics-theory-of-the-origin-of-life-20140122/

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