「生命」到底是什麼?又是如何開始的?

「生命」到底是什麼?又是如何開始的?
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我們想讓你知道的是

我們所缺乏的是關於「生命」的一般定義,而此定義與生命其底層的化學物質無關。是否存在著即使有我們未知的生命型態,也可以體現出可識別的生命象徵的普遍性原則呢?

在細胞層級上,各種物理機制都允許資訊傳遞(signaling),並誘導出合作行為。像圖1所示的那樣,黏菌(slime molds)就是一個引人注目的例子。它們是單細胞的聚集體,可以自我組織成奇特的形狀,有時協調的動作表現,彷彿它們是單一的生物體。同樣地,螞蟻和蜜蜂等社交昆蟲會交換複雜的資訊並參與集體決策(請參見 Orit Peleg 於《Physics Today》的研究,2019年4月,第66頁)。人類的大腦也是極其複雜的資訊處理系統。

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Photo Credit: CNRS的Audrey Dussutour提供
圖1:黏菌。 單細胞的聚集體,有時採取協調一致的行動,表現得像單一個生物體。

「生命=物質+資訊」

生命的資訊基礎,使得一些科學家提出了一個非正式的宣言:「生命=物質+資訊」。 但是,為了使該方程式獲得真正的解釋和預測能力,需要一個將資訊連結到物質的正式理論框架。這個連結關係的第一條線索出現在1867年。蘇格蘭物理學家詹姆斯・克拉克・馬克士威,在給朋友的一封信中,設想了一個微小的生物(此生物後來被稱之為「惡魔」),它可以觀察在一盒氣體中的每個分子。透過操縱盒子中的隔板,這個惡魔可以將所有快速移動的分子引導到盒子的左側,而緩慢移動的分子引導到盒的右側。

由於分子速度是溫度的量度,因此,此惡魔實際上是利用分子的資訊在盒內製造熱梯度(heat gradient)。工程師便可以利用該熱梯度來提取能量而對外作功(work)。從表面上來看,馬克士威設計了一種完全由資訊提供動力的永動機 (perpetual motion machine),而此機器違反了熱力學第二定律(請參閱Eric Lutz和Sergio Ciliberto刊登於《Physics Today》的文章,2015年9月,第30頁)。

為了解決此悖論(paradox),我們必須將資訊量化,並將其正式納入熱力學定律。近代資訊理論(information theory)的基礎4,是由克勞德·夏農(Claude Shannon)在1940年代後期所奠定的。夏農將資訊定義為不確定性的減少。例如,二進位元(binary digit) 是通過觀察拋硬幣的結果是正面或是反面而所獲得的資訊。夏農的資訊論和熱力學的結合最終導致資訊被識別為「負熵」。因此,惡魔所獲得的資訊必須由熵在某個階段的上升來作補償。例如,當惡魔對於分子資訊的記憶被清除,以便能夠重複循環時。隨著奈米技術(nanotechnology)的進步,馬克士威的惡魔想像實驗,得以透過實驗得到實踐。但是,數十億年以來,生命一直在製造和使用各種惡魔。我們的身體充滿著它們(ref.5)。

複製DNA、沿著纖維運輸貨物或泵送質子通過細胞膜的分子機器的運行非常接近理想的熱力學極限 (thermodynamic limit)。它們遊走在熱力學第二定律的邊緣以獲得能量上的優勢(ref.6-7)。人類的大腦也使用了一種惡魔,也就是「電壓門控離子通道 (voltage-gated ion channels)」,來傳播電訊號。這些離子通道使得大腦能夠以相當於昏暗燈泡的能量運作著,儘管大腦具有相當於一台百萬瓦級超級計算機(ref.8)的強大功能。

馬克士威的惡魔想像實驗:資訊確實可以作為一種驅動燃料

下圖為一氣體盒子,盒內的氣體分子(綠色)可以通過隔板上的小孔而穿梭於左右兩腔室中。隔板上的小孔被一快門擋住,而1867年馬克士威的腦力結晶,小惡魔所控制著。此惡魔觀察隨機來往的分子,藉由打開和關閉快門,使得快速移動的分子從右腔室移往左腔室,而緩慢移動的分子則移往右腔室。透過這個機制就可以將無序的分子運動轉換為定向的機械運動。

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Photo Credit: 物理雙月刊

數十年來,這個「惡魔」像一個物理學的核心問題但大家卻不願面對的真相,大多數的時候它只是被當作一個理論難題而暫先不予理會。在馬克士威提出這個想像實驗的一個世紀以後,一個真正的惡魔在他的出生地愛丁堡(Edinburgh)的一個實驗室裡被製造出來了。實驗中用到了一個分子環,該環可以在兩端具有阻攔物的棒上來回滑動。在棒的中間有另一個分子,該分子以兩種構造型態存在;一種構造型態阻止分子環通過,而另一種允許分子環通過。因此,這個分子就像是一個閘門,類似於馬克士威最初構想的可以控制開闔的快門(ref.17)。

緊隨此實驗帶領之下,眾多的惡魔設備紛紛出現,其中包括由芬蘭阿爾託大學(Aalto University)的Prof. Jukka Pekola所領導的奈米科學小組和紐約州立大學石溪分校(Stony Brook University)的 Prof. Dmitri Averin 團隊所建造的資訊驅動冰箱(ref.18)。在這個冰箱裡,氣體分子的角色由電子所扮演。此單電子被限制於一個奈米尺寸且與熱槽(heat bath)耦合的盒子中。冷卻循環利用盒內具有特定電子能量的兩個簡併態(degenerate states)的存在。在循環最開始,電子處於一個確定的非簡併狀態。外加電場將電子的能量提高到簡併能級,這樣電子可以以相等的機率停留在兩個簡併態中的任何一個。

這種不確定性的引入意味著電子的熵增加,而熱槽的熵(也意味著溫度)則相對應地減少。此時與第一個單電子盒子耦合的另一個盒子扮演著惡魔的角色,它探測電子處於兩種狀態中的哪一個,並自動將資訊反饋給提供驅動的外加電場。電場利用這個資訊快速地將電子返回到初始的非簡併狀態,從而完成整個冷卻循環。研究人員發現,每次循環產生1位元資訊量 (其對應電子所處的狀態)的過程,能夠以75%的平均效率從熱槽中提取熱量。

馬克士威是對的:資訊確實可以作為一種驅動燃料。

生物資訊不止於優化能量分配,更具管理者角色