了解生命的起源可以说是人类最引人注目的任务

麻省理工学院的生物物理学家杰里米·英格兰正试图回答这些深刻的问题。2013年,他提出了一个假设,即物理学可能会自发地触发化学物质,从而以一种“栩栩如生”的品质来组织自己。

现在,英国和一位同事的新研究表明,物理学可能会自然地产生自我复制的化学反应,这是从无生命物质中创造生命的第一步。

这可能被解释为直接源于自然基本定律的生命,从而从等式中消除了运气。但那会是跳枪。

生活必须来自于某种东西; 生物学并不总是这样。生物学诞生于原始和无生命的化学成分,它们以某种方式将自己组织成益生元化合物,创造了生命的基石,形成了基本的微生物,然后最终演变成今天存在于我们星球上的壮观的生物阵列。[ 7关于生命起源的理论 ]

“非生物发生”是当非生物学变成某种生物学的东西时,英格兰认为热力学可能提供一种框架,在其他无生命的化学物质中驱动生命般的行为。然而,这项研究并没有将物理系统的生命质量与生物过程本身联系起来,英格兰说。

“我不会说我已经做了任何调查'生命起源' 本身的事情,”英格兰告诉Live Science。“我认为对我来说有趣的是原则的证明 - 生命行为出现的物理要求是什么?”

物理系统中金宝博娱乐 的自组织

当能量应用于系统时,物理定律决定了能量如何消散。如果外部热金宝博平台源应用于该系统,它将消散并与周围环境达到热平衡,就像桌上留下的冷却杯咖啡一样。随着热量的消散,熵或系统中的紊乱量将增加。但是一些物理系统可能已经充分失去平衡,以至于它们“自我组织”以充分利用外部能源,英格兰推测,触发有趣的自我维持化学反应,阻止系统达到热力学平衡,从而保持不平衡状态。(好像那杯咖啡会自发产生化学反应,维持液体中心的热点,防止咖啡冷却到平衡状态。)他称这种情况为“耗散驱动的适应”,这种机制是什么在英格兰的其他没有生命的物理系统中推动了生活般的品质。

关键的生命行为是自我复制,或(从生物学角度来看)复制。这是所有生命的基础:它开始简单,重复,变得更复杂,并再次复制。事实上,自我复制也是一种非常有效的散热方式和增加系统中的熵。

在7月18日发表在英国国家科学院院刊上的一项研究中,英国和共同作者乔丹霍罗维茨测试了他们的假设。他们在一个封闭的系统(或一个不与周围环境交换热量或物质的系统)上进行计算机模拟,其中含有25种化学物质的“汤”。虽然它们的设置非常简单,但是类似的汤可能会堆积在原始和无生命的地球表面上。例如,如果这些化学物质被外部来源(例如热液喷口)浓缩和加热,那么化学品池将需要根据热力学第二定律消散该热量。热量必须消散,系统的熵将不可避免地增加。

在某些初始条件下,他发现这些化学物质可以通过自组织和对自我复制的强烈反应来优化施加到系统的能量。这些化学物质自然地微调。这些反应产生的热量符合热力学第二定律; 系统中的熵总是会增加,化学物质会自我组织并表现出自我复制的逼真行为。

“从本质上讲,系统会尝试小规模的一系列事情,一旦其中一个开始体验到积极的反馈,它就不需要那么长时间才能接管系统中的组织特征,”英格兰告诉Live 金宝博平台Science。

这是生物学中发生的一个非常简单的模型:化学能在细胞中燃烧 - 就金宝博娱乐其本质而言 - 脱离平衡,驱动维持生命的代谢过程。但是,正如英格兰所承认的那样,在虚拟化学汤中寻找生活品质与生活本身之间存在巨大差异。

亚利桑那州立大学的理论物理学家和天体生物学家Sara Imari Walker没有参与当前的研究,他对此表示赞同。

“有一个双向的桥梁需要交叉,以试图桥接生物学和物理学;一个是了解你如何从简单的物理系统获得生命般的品质,另一个是理解物理学如何能够生命,”伊万里沃克告诉Live Science。“你需要做到这两点才能真正理解生命所特有的属性,以及你认为几乎像生命体系一样活着的东西的特征。”

超越地球的生命出现?

在我们开始回答这些简单的物理系统是否会影响宇宙中其他地方的生命出现的大问题之前,最好先了解这些系统在地球上的存在。

“如果,当你说'生命'时,你的意思是像细菌或任何其他聚合酶和DNA一样令人印象深刻的东西,我的工作还没有告诉我们任何关于制造复杂的东西是多么容易或困难的事情所以我不应该推测我们在地球以外可能找到的东西,“英格兰说。(聚合酶是组装DNA和RNA的蛋白质。)

这项研究没有具体确定生物学如何从非生物系统中产生,只有在一些复杂的化学情况下,才会出现令人惊讶的自组织。这些模拟不考虑其他类似生活的品质 - 例如适应环境或对刺激的反应。此外,这种封闭系统的热力学测试并未考虑信息再现在生命起源中的作用,德国科隆大学的统计物理学家和定量生物学家MichaelL?ssig说。

“[这项]工作确实是非平衡化学网络的一个引人注目的结果,但距离生命起源的物理解释还有很长的路要走,这需要信息的再生,”L?ssig,他没有参与研究,告诉Live Science。

伊万里沃克补充说,生活系统中的信息起着至关重要的作用。仅仅因为化学品汤似乎表现出自然的自金宝博注册我组织,它并不一定意味着生活组织。

伊万里沃克说:“我认为我们必金宝博平台须通过很多中间阶段来完成从简单的订购到具有完整的信息处理架构,如活细胞,这需要记忆和遗传等。” “我们可以清楚地获得物理和非均衡系统的秩序,但这并不一定能让它成为生命。”

专家说,说英格兰的工作可能是生命起源的“吸烟枪”还为时过早,还有很多关于生命如何从无到有的假设。但它是对物理系统在自然界中如何自我组织的迷人见解。现在研究人员已经对这个热力学系统的行为有了一个大概的了解,那么识别地球上自然发生的足够不平衡物理系统将是一个很好的下一步,英格兰说。

最初发表在Live Science上。