從宇宙的膨脹到最小的亞原子粒子的運動，現代物理學可以幫助我們解釋令人眼花繚亂的自然現象。但它能否解釋其中最大的謎團：我們所知的生命是如何開始的？

麻省理工學院(MIT)物理學助理教授傑里米·英格蘭博士認為可以。他目前正在研究一個大膽的理論，希望揭示類似生命的行為是如何從一堆惰性的化學物質中產生的。

英格蘭說：“自從我在大學裡研究蛋白質摺疊的時候，我就一直對大而雜亂的粒子組合的物理學如何變得像生命一樣感興趣。”“這就是我能夠成功地拒絕在理論物理和生物學之間做出選擇的方式，這兩者都讓我著迷。”

英格蘭的研究是建立在熱力學的基礎上的，熱力學是一門描述熱量如何從一個地方移動到另一個地方的科學，對許多自然過程至關重要。他把自己的理論稱為“耗散適應”，因為它的目的是描述結構是如何通過能量(主要是熱量)的耗散而產生和變化的。

這個過程增加了周圍環境的熵(無序的數量)，奧地利量子物理學家Erwin Schrodinger認為這是生物體執行所必需的。至關重要的是，熵的增加使進化中的結構保持在所謂的“非平衡狀態”成為可能。

通常一個系統(可以是任何東西，從一盒氣體到一個複雜的結構)都會與其環境達到平衡。這意味著在系統和它周圍的環境之間沒有熱的淨流動。例如，如果你把一杯熱茶放在桌子上，它最終會達到與房間相同的溫度，這讓那些想喝杯茶的茶愛好者非常懊惱。

物理學能解釋生命是如何在地球早期出現的嗎？

正是這種非平衡狀態的物理學，英格蘭和他的團隊通過計算機模擬來尋找類似生命的行為自發出現的情況來研究。

除了生物學

這並不是物理學家第一次嘗試深入研究生物學問題。1944年，薛定諤根據他在他的第二故鄉都柏林所做的一系列演講出版了一本書。書，什麼是生命？，強調了能量流動和熵的核心意義。在書中，他還提出，生物遺傳將取決於他所稱的“非週期晶體”——一種可以在其結構中攜帶資訊的分子——隨著DNA結構的發現，這一預測得以實現。

“我目前的研究的起點——真的改變了生物，在這一點上，是意識到思考物理，你需要有趣的生活和它分解成單獨的定義良好的物理現象，你可以談論的熱力學。例如，生物會複製自己，但並不是所有的自我複製因子都是活的。

英格蘭的目標行為包括繁殖、獲取能量、自然選擇和預測未來的能力。

雪花是複雜的，由於液態水結晶成冰而形成，但它們並不是活的

他說，有時這些效應可以在一些與生命毫無相似之處的簡單、熟悉的現象中看到，比如雪花和沙丘。但在這兩種情況下，這些結構都能通過向周圍釋放能量而形成。

他說：“就雪花而言，它是由液態水(放出熱量)結晶成固態冰所釋放的熱量。”“以沙丘為例，流動的空氣是沙粒移動，但隨後它們又停止了運動，因為它們互相撞擊，並將能量作為熱量傳遞給周圍的空氣。”

熵與進化

生物體的進化歷史儲存在它的DNA中，塑造了它當前的形態。英格蘭認為，有機體散熱的歷史和熵的增加也有助於形成它的結構。沒有DNA作為變化的記錄，英格蘭相信結構的物理形式可以儲存資訊。

“想想歌劇演員對著一隻玻璃杯唱歌，它會產生共鳴，劇烈地改變形狀，然後打碎。一旦它破碎，它從歌曲中吸收能量的能力就差得多，因為它是一堆碎片。它的形狀變化要小得多，變得穩定得多，”他說。

“但是這些碎片並不是玻璃的隨機排列，它們包含了很多關於玻璃破碎時的形狀的資訊。因此，儘管他們不善於吸收能量，但他們在歷史上有一個與之相反的時刻，這可以通過正確的偵探工作來重建。”

傑里米·英格蘭的計算機模擬顯示了黏稠液體中的粒子。綠松石顆粒受到振動力的驅動，隨著時間的推移，會形成化學鍵

有時，在團隊的模擬中，會出現令人驚訝的自組織水平。例如，當它們從不同模擬化學物質相互作用的虛擬湯開始時，一些化學物質開始取代其他化學物質。當它們被證明更善於收集可用的能量時，就開始佔據主導地位。

英格蘭說：“我們認為生命特別擅長的事情有很多，比如能量收集、預測計算(預測未來)和自我修復，即使在沒有達爾文進化論的情況下，我們也可能通過自我複製和自然選擇實現自我組織。”

儘管該理論仍處於早期階段，但也不乏批評者。英國自己也承認，簡單地觀察類似生命的行為和生命本身之間存在著巨大的差距。

他說：“我們所看到的所有生命都是過去幾代已經存在的生物相互競爭的產物，它們在很長一段時間內都在共同進化。”此外，任何有生命的東西都是許多獨特的類似生命的行為的組合，而這些行為在一開始並不一定都是緊密聯絡在一起的。例如，某樣東西可能是一種非常好的能量收集器，但不一定能夠自我複製，而且我並不聲稱知道我們所謂的“生命”最初是如何捆綁在一起的。”

然而，他確實相信，他的團隊的工作正在豐富他所稱的生命形成的“工具箱”。目前，他們的工作完全是基於計算機模擬，儘管其他研究人員也開始接受這一想法，並在物理實驗中研究類似的熱力學效應。

我們也許還不知道生命是如何開始的，但耗散適應讓我們更清楚地認識到鼓勵生物出現的基本原則之一。