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用物理解釋生命  

我們周圍的一切可探測物質，都是由基本粒子之間的物理相互作用產生的。從最小的亞原子粒子的自旋，到整個星系團的行為，都可以用物理學來解釋。然而，物理學卻無法解釋生命。因為物理學缺乏“功能”的概念，它無法將作為生物學核心的“涌現”功能特征與隨機漲落區分開來。例如，對生命來說至關重要的蛋白質，就是為了執行特定的生物功能而出現的。

此外，物理學定律是永恒的，它可以將我們從過去的初始狀態帶到現在和未來的狀態。由于它不受歷史事件的影響，因此物理學定律不能用來描述物種的過去的進化會如何影響它們的現在和未來。

在進化論中，達爾文（Charles Darwin）用自然選擇很好地解釋了為什么有些東西存在，有些東西不存在。根據進化論，生物當前的功能是由在過去對變異所作的選擇而產生的。但是，當試圖用數學公式來定量地描述這一過程時，科學家只能對結果進行描述，無法觸及潛在的物理學原理。

裝配理論

長時間以來，科學家一直在思考，如何才能用物理學來解釋生物的復雜功能的出現。2021年，在一項發表于《自然通訊》雜志的論文中，化學家Leroy Cronin與其合作者提出了一個名為“裝配理論”（assembly theory）的新理論框架，將物理學和生物學聯系了起來。

現在，在一項于近期發表在《自然》雜志的新研究中，Cronin與合作者發表了一項關于“裝配理論”的新研究，為理解和量化自然選擇的進化過程提供了一個令人信服的答案。

裝配理論是一種大膽的新想法，可以在基本尺度上解釋生命，其核心思想是，對象（object）不能被定義為永恒不變的實體，而是要根據它們形成的歷史來定義。這為生命提供了一種更普適的定義，根據這種理論，對任何環境中的任何對象來說，當其豐度和復雜性增加時，它來源于生命活動的可能性就會增加。

裝配理論提供了一種全新的方式來看待構成我們世界的物質，它表明物質不僅僅是由不變的粒子定義的，而且還是由通過時間的選擇在構建物體時所需的記憶來定義的。

裝配指數 

在之前的研究中，研究團隊重點關注了裝配理論在分子層面的應用。為了衡量分子的復雜性，他們提出了一個“裝配指數（assembly index）”。具體來說，他們根據構建一個分子所需的最少步驟數，為不同分子的復雜性打分。

他們在實驗室中用質譜法（一種可以測量分子的質荷比的工具），測定了一系列分子的裝配指數。結果表明，與生命相關的分子（如激素和代謝物），確實比與生命無關的分子（如二氧化碳）更復雜，需要更多的信息來裝配。具體來說，超過15步的裝配指數只存在于與生命相關的分子中。

在新的研究中，研究人員提出了一個名為“裝配（assembly）”的物理量，它會根據對象的豐度和裝配指數，衡量產生這種復雜對象需要進行多少選擇：就像熵可以量化粒子集合組態所需的信息，裝配也能以類似的形式量化在歷史上偶然產生的對象所需的“記憶”；但不同于熵的是，它明確依賴于復雜對象固有的構建路徑中的偶然性。

新的前沿  

新研究展示了如何將裝配理論應用于量化不同系統（從簡單分子到復雜聚合物和細胞結構）的選擇和進化。它既解釋了新對象的發現，也解釋了現有對象的選擇。

裝配理論提供了一個全新的視角，可以從不同的角度來看待物理、化學和生物學。有了這個理論，科學家就可以開始縮小還原論物理學和達爾文進化論之間的差距——這是向統一惰性物和生命物的基本理論邁出的重要一步。

隨著研究進一步的發展，這種理論將有望改變從宇宙學到計算機科學的眾多領域，成為物理學、化學、生物學和信息論交叉的新前沿。

作者： 小雨；來源： 原理微信號