小雨：解释生命的新理论

 

 

用物理解释生命  

 

我们周围的一切可探测物质，都是由基本粒子之间的物理相互作用产生的。从最小的亚原子粒子的自旋，到整个星系团的行为，都可以用物理学来解释。然而，物理学却无法解释生命。因为物理学缺乏“功能”的概念，它无法将作为生物学核心的“涌现”功能特征与随机涨落区分开来。例如，对生命来说至关重要的蛋白质，就是为了执行特定的生物功能而出现的。

 

此外，物理学定律是永恒的，它可以将我们从过去的初始状态带到现在和未来的状态。由于它不受历史事件的影响，因此物理学定律不能用来描述物种的过去的进化会如何影响它们的现在和未来。

 

在进化论中，达尔文（Charles Darwin）用自然选择很好地解释了为什么有些东西存在，有些东西不存在。根据进化论，生物当前的功能是由在过去对变异所作的选择而产生的。但是，当试图用数学公式来定量地描述这一过程时，科学家只能对结果进行描述，无法触及潜在的物理学原理。

 

装配理论

 

长时间以来，科学家一直在思考，如何才能用物理学来解释生物的复杂功能的出现。2021年，在一项发表于《自然通讯》杂志的论文中，化学家Leroy Cronin与其合作者提出了一个名为“装配理论”（assembly theory）的新理论框架，将物理学和生物学联系了起来。

 

现在，在一项于近期发表在《自然》杂志的新研究中，Cronin与合作者发表了一项关于“装配理论”的新研究，为理解和量化自然选择的进化过程提供了一个令人信服的答案。

 

装配理论是一种大胆的新想法，可以在基本尺度上解释生命，其核心思想是，对象（object）不能被定义为永恒不变的实体，而是要根据它们形成的历史来定义。这为生命提供了一种更普适的定义，根据这种理论，对任何环境中的任何对象来说，当其丰度和复杂性增加时，它来源于生命活动的可能性就会增加。

 

装配理论提供了一种全新的方式来看待构成我们世界的物质，它表明物质不仅仅是由不变的粒子定义的，而且还是由通过时间的选择在构建物体时所需的记忆来定义的。

 

装配指数 

 

在之前的研究中，研究团队重点关注了装配理论在分子层面的应用。为了衡量分子的复杂性，他们提出了一个“装配指数（assembly index）”。具体来说，他们根据构建一个分子所需的最少步骤数，为不同分子的复杂性打分。

 

他们在实验室中用质谱法（一种可以测量分子的质荷比的工具），测定了一系列分子的装配指数。结果表明，与生命相关的分子（如激素和代谢物），确实比与生命无关的分子（如二氧化碳）更复杂，需要更多的信息来装配。具体来说，超过15步的装配指数只存在于与生命相关的分子中。

 

在新的研究中，研究人员提出了一个名为“装配（assembly）”的物理量，它会根据对象的丰度和装配指数，衡量产生这种复杂对象需要进行多少选择：就像熵可以量化粒子集合组态所需的信息，装配也能以类似的形式量化在历史上偶然产生的对象所需的“记忆”；但不同于熵的是，它明确依赖于复杂对象固有的构建路径中的偶然性。

 

新的前沿  

 

新研究展示了如何将装配理论应用于量化不同系统（从简单分子到复杂聚合物和细胞结构）的选择和进化。它既解释了新对象的发现，也解释了现有对象的选择。

 

装配理论提供了一个全新的视角，可以从不同的角度来看待物理、化学和生物学。有了这个理论，科学家就可以开始缩小还原论物理学和达尔文进化论之间的差距——这是向统一惰性物和生命物的基本理论迈出的重要一步。

 

随着研究进一步的发展，这种理论将有望改变从宇宙学到计算机科学的众多领域，成为物理学、化学、生物学和信息论交叉的新前沿。

 

作者： 小雨；来源： 原理微信号