「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?
Photo Credit: iStock

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?

Adams和Walker在電腦上進行了數千種模擬,以尋找出有趣的方格狀態圖樣。他們想要找出既「開放」,意即生物體不會很快回到其初始狀態,又「創新」的演化行爲。創新意味着,所觀察到的生物體狀態序列,都不會出現在,從任何初始狀態開始,具有256種可能的固定規則的細胞自動機模型中。這就好比在經過修改的西洋棋遊戲中,四個主教最終出現在相同顏色的方格中。儘管這種開放、創新的演化行爲很少見,但還是出現了一些明確的例子。模擬過程雖花費了大量的計算時間,但 Adams 和 Walker 的發現足以讓人相信,即使在他們的簡單模型中,依賴於系統狀態的動力學,提供了通往復雜性和多樣性的新路徑。他們的研究顯示,僅僅處理資訊是不夠的。爲了完全描繪出生物學的豐富性,資訊處理規則本身也必須隨時間演化。

量子邊緣上的生命

如果生物學使用了新物理,像是依賴於系統狀態的動力學規則,那麼它是在簡單分子和活細胞之間的哪個位置出現的呢?細胞自動機模型或許具有啟發性,但畢竟它們是極為簡化的卡通模型,不算是真正的物理原理,它並不會告訴我們要去哪裡找尋演生現象(emergent phenomena)。碰巧的是,物理學中已經包含了依賴於狀態的動力學的一個熟悉例子:量子力學。

在孤立的狀態下,由同調波函數(coherent wavefunction)所描述的純量子態會以可預測的方式演化,遵循著一個眾所皆知的數學法則——「么正演化(unitary evolution)」。但是當進行測量時,量子態會突然改變,這種現象通常被稱爲波函數的坍塌。在理想的測量中,波函數坍塌會將系統投射到與被測量的可觀測量(observable),其相對應的一個可能的本徵態(eigenstate)上。在這一步,么正演化規則被玻恩規則(Born rule)取代,後者預測了測量結果的相對機率,並將不確定性因素引入了量子力學。這標誌着從量子到古典領域的轉變。因此,量子力學能告訴我們是什麼讓生命運轉的嗎?

薛丁格在他著名的都柏林演講中,使用了量子力學來解釋遺傳資訊儲存的穩定性。早在克里克和華生解釋DNA結構之前,薛丁格就曾推論出遺傳資訊必須在分子層級上儲存於一種他稱之為「非週期性晶體」中,而這最終被證明是對作爲遺傳物質載體的核酸高分子的一個直觀描述。然而,一種可能性仍然存在,那就是量子現象在生物體中或許扮演着更普遍的角色。

在隨後的幾十年中,一個普遍的假設流傳開來,那就是在生命物質的溫暖且嘈雜的環境中,量子現象將被扼殺,而古典的化學理論足以解釋生命。然而,在過去十年左右的時間裡,人們對複雜的量子現象,如:疊加(superposition)、糾纏(entanglement)和穿隧 (tunneling) 效應等,可能對生命有著至關重要的影響,越來越感興趣。儘管仍有相當多的懷疑,但科學家目前對「量子生物學」這一新領域,正在進行深入的研究(ref.15)。研究焦點集中在各式各樣的主題上,例如:光合作用中的同調能量傳輸、鳥類的磁性感知能力,還有蒼蠅的嗅覺反應。

在奈米尺度上,研究生命物質的量子特性,面臨著重大的挑戰。對生命運轉至關重要的系統,可能涉及到數個自由度(degrees of freedom),因此它們可能遠離熱力學平衡狀態,並且可能與周圍的熱環境強烈耦合。但正因如此,我們或許能期待,在非平衡量子統計力學領域中,可能會出現新的物理學。

一組可能相關的實驗是測量有機分子的電子電導率。最近,Gábor Vattay 和同事們聲稱,許多生物上重要的分子,例如:蔗糖和維生素D3,都具有獨特的電子電導性質,其性質與絕緣體和無序金屬導體之間的臨界相變點有關。他們寫道:“這些發現說明了生命物質中存在著一種普遍的電荷傳輸機制” (ref.16)。 儘管他們的發現不足以說明量子奇異性(quantum weirdness)可以解釋生命,但他們確實暗示著,量子調諧的大分子(quantum-tuned large molecule)領域,是人們可能會發現薛丁格和他同時代的人,所猜測的新物理學出現的地方。

想法的碰撞

理論物理學家約翰・阿奇博爾德・惠勒(John Archibald Wheeler)曾經說過,科學的重要進展是來自於不同想法的碰撞,多於不斷積累的知識。生物物理學處於物理科學和生命科學這兩大科學領域的交界。每個領域都有自己的詞彙,也有自己獨特的概念框架。物理學根植於力學的概念,而生物學根植於資訊的概念。 這兩者碰撞出的火花,預示著一個新的科學領域。在該領域中,現在被正式理解為一個物理量的「資訊 」,佔有著重要的地位,從而將用於統一物理學和生物學(ref.2)。

在過去的幾十年裡,分子生物學的巨大進展,很大程度上歸功於力學的概念被應用於生物系統中,這是物理學概念滲透於生物科學的例子。奇妙的是,相反的情況正在發生。許多物理學家,特別是那些從事量子力學基礎問題研究的人,主張將資訊置於物理學的核心位置,而另一些物理學家則猜測,新的物理學潛藏在引人注目但令人困惑的生物體的世界中。生物學正逐漸成爲物理學的下一個偉大前沿。

參考資料

  1. E. Schrödinger, What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell, Cambridge U. Press (1944).
  2. P. Davies, The Demon in the Machine: How Hidden Webs of Information Are Solving the Mystery of Life, U. Chicago Press (2019).
  3. U. Alon, An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits, Chapman & Hall/CRC Press (2006).
  4. J. Soni, R. Goodman, A Mind at Play: How Claude Shannon Invented the Information Age, Simon & Schuster (2017).
  5. P. Hoffman, Life’s Ratchet: How Molecular Machines Extract Order from Chaos, Basic Books (2012).
  6. P. M. Binder, A. Danchin, Eur. Mol. Biol. Org. Rep. 12, 495 (2011).
  7. P. Ball, “Bacteria replicate close to the physical limit of efficiency,” Nature (20 September 2012).
  8. W. Loewenstein, The Touchstone of Life: Molecular Information, Cell Communication, and the Foundations of Life, Oxford U. Press (1999), p. 227.
  9. J. Smith, E. Davidson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 20089 (2008).
  10. M. D. Petkova et al., Cell 176, 844 (2019).
  11. M. Levin, Regen. Med. 6, 667 (2011).
  12. N. Goldenfeld, C. Woese, Annu. Rev. Cond. Mat. Phys. 2, 375 (2011).
  13. S. Wolfram, A New Kind of Science, Wolfram Media (2002).
  14. A. Adams et al., Sci. Rep. 7, 997 (2017).
  15. J. McFadden, J. Al- Khalili, Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology, Broadway Books (2014).
  16. G. Vattay et al., J. Phys.: Conf. Ser. 626, 012023 (2015).
  17. V. Serreli et al., Nature 445, 523 (2007).
  18. J. V. Koski et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 13786 (2014)