• 生物宇宙學重新定義生命

    業界 | 2022-05-07 10:32:30
    時間:2022-05-07 10:32:30   /   來源: 參考消息網      /   點擊數:()

    據美國《發現》月刊網站4月30日報道,科學最大的奧秘之一,是生命以何種方式融入我們對于宇宙的更廣泛理解。特別是,許多理論物理學家一直想知道,為什么極其復雜的生命能夠與熱力學定律相安無事——這些定律認為,所有系統都必定不可避免地蛻變至一種極其混亂的狀態。

    對于宇宙學家來說,這意味著宇宙將逐漸冷卻,變成一個寒冷、停滯的死亡物質池。這種令人不快的宿命被稱為“熱寂”。

    但在過去40億年里,地球上的生命卻朝著相反的熵值方向行進,變得越來越復雜。我們的行星最初是一塊巨大而熾熱的巖石,上面散布著構成了相對簡單分子的元素。今天,地球是一個欣欣向榮的分子機械球,其中某些部分具有幾乎難以想象的復雜性。

    這一切是如何發生的?對于整個近代歷史中的許多科學家而言,他們懷疑有些事情、有些地方不合常理。

    現在,包括美國系統生物學研究所的斯圖爾特·考夫曼和加拿大佩里米特理論物理學研究所的李·斯莫林在內的一個科學家小組說,新的熱力學第四定律可以解決這一悖論,這種新的思維方式將把生物學和宇宙學聯結成為一個全新的學科,他們稱之為“生物宇宙學”。

    考夫曼、斯莫林及其團隊從對宇宙進行熵值盤點著手。這實際上就是對宇宙中所有可能狀態的數目進行清點。他們從粒子開始——與粒子相關的總熵達到10的90次方數量級。不過,所有黑洞的熵值則要大得多,大約為10的104次方數量級。而這個熵值與真空能量的相關熵值相比又顯得微不足道,后者達到10的124次方數量級。

    考夫曼、斯莫林團隊接下來考慮的重點是生物學中可能存在的構型狀態數目,以及這一數目與上述天文數字相比會有怎樣的結果。

    乍一看,這個問題似乎很容易回答。他們指出:“地球上粒子的數目遠遠少于可觀測宇宙中的粒子,相差大約30個數量級。因此,看起來一目了然的是,生物學的任何貢獻肯定是無足輕重的。”

    但他們說,事實證明這種思維方式是錯誤的。他們的關鍵理念是,對可能存在的生物學狀態的數目統計,必須采用一種不同于統計宇宙中其他狀態的方法。而正是這種新的計算方法,將明顯改變得出宇宙熵值預算的那種計算方式。

    導致這種新的思維方式的線索是:進化過程只是從所有可能的生物構型中選擇一小部分。因此,像我們在地球上看到的蛋白質之類的生物分子,以及它們結合形成復雜生物的方式,只是所有可能存在的狀態數目中的一小部分。

    此外,隨著時間推移,由于可以組合到一起的構件變得更加復雜,可能的構型數目還將增加。生物分子最初是由最多6種不同元素——碳、氫、氮、氧、磷、硫——構成的,而它們可以形成形形色色復雜的有機分子。

    這種組合過程與物理學家通常認為的并受到物理學定律支配的過程存在根本差異。這些物理學定律對可以形成什么狀態和不可以形成什么狀態設置了重要的限制。

    相比之下,不存在阻止某些構型出現的“生物學定律”。事實上,它們中的任何構型都有可能出現。這就是為什么生物構型空間如此巨大,而且還在不斷擴大的原因。

    利用這種思維,研究人員計算出,當大約38億年前生命最早在地球上出現時,生物構型空間擁有數量級達10的10次方的237次方的潛在狀態。

    研究團隊得出結論稱,換句話說,“生物圈拓撲空間中所包含的微觀狀態的數目,要比整個宇宙中所存在的全部構型狀態數目還要多”。

    這是一個非同尋常的研究成果,因為它將生物學置于宇宙學的基礎之上。該研究團隊說:“這一研究結果意義深遠,它將為未來的研究開辟各種新思路,并開啟一個我們稱之為生物宇宙學的新的科學領域。尤其是,生命信息內容與宇宙信息內容之間的關系可能需要從零開始進行重建。”

    標簽:Lucid

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