生命是物理學(xué)嗎？
——物理學(xué)家尋找描述所有生命體的統(tǒng)一方程

編譯 蔡立英

物理學(xué)家正在尋找一種“生命理論”，來(lái)解釋生命為什么可以存在。

生物體兼具復(fù)雜性和有序性，正如上圖這個(gè)植物莖的切片。科研人員希望最終發(fā)展出能夠描述所有生命的基本方程

關(guān)于生命，一切都不簡(jiǎn)單。每秒鐘，一個(gè)細(xì)胞能發(fā)生數(shù)百萬(wàn)次有序的化學(xué)反應(yīng)；數(shù)十億個(gè)單細(xì)胞生物會(huì)形成群落；數(shù)萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞可以精確地黏附在一起，形成組織和器官。盡管生命如此復(fù)雜，卻很容易識(shí)別。物理學(xué)家認(rèn)為，這種可識(shí)別性可能源自構(gòu)成所有生命基礎(chǔ)的基本物理學(xué)原理。而他們正在尋找一種基于這些物理學(xué)原理的數(shù)學(xué)理論，以期解釋為什么生命可以存在，以及生命的運(yùn)作機(jī)理。他們認(rèn)為，這樣一種理論可以讓科研人員以目前不可能的方式，控制和操縱生命系統(tǒng)。

物理學(xué)家熱衷統(tǒng)一理論。這些統(tǒng)一理論把復(fù)雜現(xiàn)象歸結(jié)為一組概念，能利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行非常成功的預(yù)測(cè)。例如，熱力學(xué)定律是解釋小到原子、大到颶風(fēng)的各種不同尺度的系統(tǒng)中，能量如何轉(zhuǎn)移的理論，能夠精確預(yù)測(cè)一壺水煮沸需要多長(zhǎng)時(shí)間。盡管取得了這樣的成功，科研人員尚未找到通用方程，可以描述與生命相關(guān)的日常現(xiàn)象。這樣的通用方程能夠提供和其他統(tǒng)一理論相同的預(yù)測(cè)能力，使科研人員能夠精確地控制生物，從而能夠?yàn)榧?xì)菌感染提供更好的治療方案，改進(jìn)癌癥療法，并提供防止植物對(duì)除草劑產(chǎn)生耐藥性的方法等。

德國(guó)馬克斯·普朗克動(dòng)力學(xué)與自組織研究所所長(zhǎng)拉明·戈?duì)査顾岚玻≧amin Golestanian）說(shuō)：“物理學(xué)家研究了很多復(fù)雜系統(tǒng)，但是在復(fù)雜性和自由度的數(shù)量方面，生命系統(tǒng)屬于一個(gè)完全不同的類別。”

戈?duì)査顾岚惭芯可到y(tǒng)，比如細(xì)菌群，通過(guò)建模，使其成為移動(dòng)的耗能粒子群，即所謂的“活性物質(zhì)”。他還幫助組織了2018年美國(guó)物理學(xué)會(huì)“生命體的物理學(xué)”（Physics of Living Matter）會(huì)議。科研人員在這個(gè)會(huì)上討論了找到生命的數(shù)學(xué)理論是否有可能；如果可以實(shí)現(xiàn)，這樣一個(gè)理論應(yīng)該回答哪些問(wèn)題。

對(duì)于這個(gè)研究領(lǐng)域的一些科學(xué)家而言，找到一個(gè)理論是從顛覆生物學(xué)家對(duì)生命系統(tǒng)的描述開始的。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校物理學(xué)家奈杰爾·戈登費(fèi)爾德（Nigel Goldenfeld）研究演化和生態(tài)學(xué)的相關(guān)問(wèn)題，他說(shuō)：“當(dāng)我參加生物學(xué)會(huì)議時(shí)，總會(huì)聽到有人說(shuō)‘生命是化學(xué)’，然后展示一串假定的化學(xué)反應(yīng)，但我并不認(rèn)為生命就是化學(xué)。”例如，化學(xué)提供了創(chuàng)造生命所需分子的信息，但是并沒(méi)有提供如何獲得一個(gè)正常運(yùn)作的細(xì)胞的信息。反而，他覺(jué)得“生命是物理學(xué)”，科研人員應(yīng)該把生物視為受到熱力學(xué)約束的凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)。

戈?duì)査顾岚埠透甑琴M(fèi)爾德都認(rèn)為，生命的一些特征，比如復(fù)制、演化、需要能量來(lái)運(yùn)動(dòng)，都是凝聚態(tài)物理學(xué)家所說(shuō)的“涌現(xiàn)現(xiàn)象”的例子。涌現(xiàn)現(xiàn)象是指，由大量簡(jiǎn)單組分發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的復(fù)雜特性。例如，超導(dǎo)電性是一種宏觀的特性，是由金屬中的電子之間相吸作用而產(chǎn)生，從而達(dá)到電阻為零的狀態(tài)。至于生命，涌現(xiàn)行為產(chǎn)生于分子間的相互作用，以及分子如何組合在一起形成結(jié)構(gòu)或發(fā)揮功能。

角馬成群結(jié)隊(duì)地遷徙，穿過(guò)肯尼亞馬賽馬拉大草原。科研人員使用活性物質(zhì)模型來(lái)模擬這種行為，這種模型還可以描述從鳥群到細(xì)菌群等生物群體的行為

果蠅的視覺(jué)器官由750多只單眼組成。美國(guó)普林斯頓大學(xué)理論物理學(xué)家威廉·比亞萊克已經(jīng)證明，果蠅的這些眼睛協(xié)同工作，創(chuàng)造出一種視覺(jué)系統(tǒng)，能進(jìn)行精度極高的計(jì)算

科研人員希望“生命理論”有助于研發(fā)出防止有害植物對(duì)除草劑產(chǎn)生耐藥性的方法

但是，生命的運(yùn)作方式與金屬或超導(dǎo)體這些常規(guī)的凝聚態(tài)物質(zhì)截然不同，后者是“死的”，其行為是預(yù)先決定的。活的生物對(duì)于相同的刺激，可以用看似完全不同的方式做出反應(yīng)。戈登費(fèi)爾德說(shuō)：“生物系統(tǒng)具有這種反饋回路，使得我們很難運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的微分方程對(duì)其進(jìn)行分析。”他表示，他還不知道如何解決這個(gè)問(wèn)題。

美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校克里斯蒂娜·馬爾凱蒂（Cristina Marchetti）也贊同戈登費(fèi)爾德的觀點(diǎn)。馬爾凱蒂和戈?duì)査顾岚惨粯樱ㄟ^(guò)建模來(lái)研究生命體。馬爾凱蒂說(shuō)：“生命系統(tǒng)會(huì)因?yàn)榕c其他系統(tǒng)發(fā)生相互作用或信息交換而演化、適應(yīng)和改變。”但是，目前她和其他人為描述特定生物系統(tǒng)的行為（比如，細(xì)菌群的運(yùn)動(dòng)或是腫瘤細(xì)胞的聚簇）發(fā)展出來(lái)的理論還缺少對(duì)上述基本過(guò)程的闡釋。馬爾凱蒂說(shuō)：“解釋生命系統(tǒng)演化狀態(tài)的理論研究實(shí)際上還處于起步階段。”

發(fā)展出一個(gè)解釋生命為何能存在的普遍理論的另一個(gè)挑戰(zhàn)在于極少人研究這個(gè)問(wèn)題。戈登費(fèi)爾德表示，大多數(shù)研究生命內(nèi)部運(yùn)作的生物學(xué)家和物理學(xué)家，都聚焦于針對(duì)某些生物的一些特定過(guò)程（比如，某個(gè)特定種屬的果蠅的視覺(jué)工作機(jī)理）進(jìn)行建模，而不關(guān)心更廣范圍的研究圖景。

美國(guó)普林斯頓大學(xué)理論物理學(xué)家威廉·比亞萊克（William Bialek）同意這一觀點(diǎn)，卻也看到研究特定生物的積極一面。他指出，理論物理學(xué)家如果“脫離對(duì)細(xì)節(jié)的研究”，可能會(huì)在理論探索的道路上失敗。

比亞萊克說(shuō)：“我們探索這個(gè)領(lǐng)域的根本在于——找到探索普遍的理論和參與特定系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)研究之間的平衡點(diǎn)。”戈?duì)査顾岚舱J(rèn)同此觀點(diǎn)，并補(bǔ)充說(shuō)，任何致力于構(gòu)建一個(gè)具有普遍性的生命理論的人，將“必須培養(yǎng)研究一系列現(xiàn)象的欲望和能力，對(duì)各種現(xiàn)象分門別類，進(jìn)而尋找并發(fā)展出一種全面描述的模式。”

美國(guó)埃默里大學(xué)伊利亞·內(nèi)門曼（Ilya Nemenman）是采取這種研究方法的一位物理學(xué)家。他研究從蠕蟲到鳥類的各種生物如何處理周圍環(huán)境信息，旨在找到規(guī)律并推導(dǎo)出適用于多個(gè)系統(tǒng)的通用方程。內(nèi)門曼說(shuō)：“發(fā)展出生物系統(tǒng)的統(tǒng)一理論的最大障礙之一，是確定哪些參量是重要的，哪些參量無(wú)關(guān)緊要。”

在傳統(tǒng)的凝聚態(tài)物理中，系統(tǒng)的對(duì)稱性（是指坐標(biāo)系變換后保持不變的參量）決定了關(guān)鍵的參量。比如，在晶體中，對(duì)稱性是指原子的有序排列模式，如果把坐標(biāo)軸從一個(gè)晶胞移動(dòng)到另一個(gè)晶胞，一切看起來(lái)完全一樣。但是，在生物系統(tǒng)中，這種對(duì)稱性是不存在的，或者至少目前看不出來(lái)，這就給寫出正確方程的過(guò)程又增加了額外的復(fù)雜性。內(nèi)門曼認(rèn)為，機(jī)器學(xué)習(xí)可能有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他的研究團(tuán)隊(duì)最近利用機(jī)器學(xué)習(xí)這一工具，揭示了描述蠕蟲如何對(duì)熱量做出反應(yīng)的方程。

既然幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，生物學(xué)領(lǐng)域一直沒(méi)有這樣一個(gè)統(tǒng)一理論也發(fā)展得很快，為什么還要致力于尋找這樣一個(gè)統(tǒng)一理論呢？對(duì)戈登費(fèi)爾德而言，支撐他探索的驅(qū)動(dòng)力是因?yàn)榻y(tǒng)一理論具有潛在的預(yù)測(cè)能力，以及它可以對(duì)生物系統(tǒng)的行為進(jìn)行控制，例如治療細(xì)菌感染。現(xiàn)有的治療方案并沒(méi)有合理解釋，當(dāng)抗生素殺死一些不想要的細(xì)菌時(shí)，它們卻發(fā)生演化并存活下來(lái)，進(jìn)而成為耐抗生素的超級(jí)細(xì)菌，如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）。戈登費(fèi)爾德說(shuō)：“如果我們知道如何控制一個(gè)活的、不斷演化的系統(tǒng)，那么，我們就能找到既能殺死所有細(xì)菌又不會(huì)使問(wèn)題惡化的治療方案。”不過(guò)戈?duì)査顾岚仓赋觯骸霸诂F(xiàn)階段作具體的預(yù)測(cè)顯然還為時(shí)過(guò)早，但我絕對(duì)相信，人類如果掌握這種統(tǒng)一理論，將會(huì)大有裨益。”