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从麦克斯韦妖到量子生物学,生命物质中是否潜藏着新物理学?

直到闻名的麦克斯韦妖呈现之前,信息和物理之间的联络一向不甚清晰。而现在,信息正在成为衔接物理学和生物学的一个要害概念。许多物理学家建议将信息放在物理学的中心方位,而另一些物理学家则猜想:新物理学潜藏在生物体的国际中。生物学正在成为物理学的下一个巨大前沿。

对物理学家来说,生命太共同,恰似改动多端的戏法。生物体获得的成便是如此耀眼,如此奥妙,以至于人们很简略忘掉:它们是由一个个一般的原子组成的。可是,咱们生命的奥妙不在于构成生物体的资料,那又是什么呢?是什么赋予了生物体绝无仅有的生命力,使它们如此特殊而特别?这是薛定谔1943年在爱尔兰都柏林的一系列闻名讲演中提出的问题,并于次年出书了一本颇具影响力的书——What Is Life? 。

众所周知,薛定谔是理论物理学的伟人,也是量子力学的创建者之一。无论是在实践运用仍是在准确性方面,量子力学可谓是人类设想的最成功的科学理论。例如,当量子力学运用于电磁场时,它能以超越10个有用数字的精度正确猜想电子的失常磁矩。量子力学简直一会儿就解说了从亚原子粒子到原子、分子,再到恒星这些无生命物质的实质。但令人懊丧的是,它并没有解说生命物质。虽然在之后的几十年里,生物学获得了惊人的开展,但生命依然是个谜。没有人能切当地阐明生命是什么,起源于何处。

图1:展示团体才智的蚂蚁 | 来历:Kaitlin M. Baudier, Arizona State University

当被问及物理学能否解说生命时,大多数物理学家会给出必定答复。不过更切当的问题是,已知的物理学是否能解说生命,或许是否需求凭借一些全新的理论。上世纪30年代,量子力学的许多构建者——包含最闻名的玻尔、维格纳和海森堡——都直觉地以为,生命物质的物理学中必定存在一些新的不同的东西。薛定谔虽然有些犹疑,但对这种或许性持敞开情绪。他估测说:“人们有必要准备好迎候一种新的物理学规律。”至于这种新的规律究竟是何相貌,他没有详细阐明。

这些问题超出了单纯的学术爱好。天体生物学的一个中心方针是寻觅地球之外的生命痕迹,但咱们对生命没有一个界说,就很难切当知道要寻觅什么。例如,美国航空航天局方案的一项飞翔使命是,穿越被以为含有有机分子的土卫二的冰壳层裂缝中喷出的物质羽流。是什么会让置疑者信任这些物质中包含有生命,或许从前存活过的生物体的碎屑,而不是某种办法的前生命物质?与丈量磁场这样的物理量天壤之别,科学家短少任何一种生命丈量仪来量化化学混合物向着已知生命的开展进程——更不用说外星生命了。

大多数天体生物学家专心于研讨咱们所知的生命特征。例如,上世纪70年代,美国航空航天局的“海盗号“火星勘探使命便是运用一种适宜地球生物食用的营养液来寻觅碳代谢的痕迹。另一个被广泛评论的生物特征是单一手征性,即只存在对映异构体中的一种。虽然物理学规律在左右回转的景象下是相同的,已知的生物体运用的却是左旋的氨基酸和右旋的糖。不过无机土壤化学能够模仿代谢,而且单一手征性能够在没有生命参加的情况下由重复的化学循环产生,所以这种假定的生物特征并不是决定性的。

在更远的当地,辨认生命还会遭受愈加困难的问题。天体生物学家寄希望于勘探太阳系外行星大气中的氧气,可是,大气中的氧气并非光协效果确凿无疑的标志,由于非生物进程也能够发明含氧的大气。咱们短少的是在不依赖于代表详细生命的生物化学底物下作出对生命的通用界说。是否存在那么一个深层的遍及原理能够证明可辨认的生物特征,乃至对咱们不知道的生命也适用呢?

1 两种文明:物理学和生物学

物理学和生物学之间的距离不仅是关于杂乱性的问题,而且是在概念结构上存在底子差异。物理学家运用能量、熵、分子力和反响速率等概念来研讨生命;生物学家则用比方信号、编码、转录和翻译等术语供给了一种天壤之别的叙事,一套信息的言语。有这样一个明显比方足以证明上述观念:令人惊叹的新的CRISPR技能,它使得科学家能够修正生命的暗码本。蓬勃开展的生物物理学范畴企图衔接起这个概念的距离,比方通过对各种生物操控网络中的信息流和存储办法进行建模。

生命不只是通过DNA,也在各个层次上都在进行信息存储和处理。基因是作为加密指令集的DNA序列,它们能够通过化学信使敞开或关闭其他基因,而且一般会构成杂乱的网络。这些化学通路类似于电子元件或核算元件,有时构成履行逻辑操作的模块或门。

在细胞层面上,多种多样的物理机制都答应信号发送,而且会导致协作行为。图2所示的黏菌便是一个明显的比方。它们是单个细胞的调集,能够自组织构成共同的形状,有时会体现出一起的行为,似乎是单一的生物体。相同地,蚂蚁和蜜蜂这样的社会性昆虫会交流杂乱的信息,并参加团体决议计划。人类的大脑也是杂乱到令人震惊的信息处理体系。

图2:黏菌。有时分,自在的单细胞调集会互相协作,体现得像是具有一起行动方案的单一生物体 | Audrey Dussutour, CNRS

生命的信息根底使得一些科学家提出了一个非正式宣言:

生命 = 物质 + 信息

可是,要使这个衔接方程获得实在的解说和猜想才干,还需求一个正式的理论结构将信息和物质联络起来。这种联络的榜首条头绪呈现在1867年。在一封给朋友的信中,苏格兰物理学家麦克斯韦设想了一个细小的生物,它能够感知在一盒气体中四处乱窜的单个分子。通过操作一扇小门,这个被称为“麦克斯韦妖”的小东西能够将一切速度快的分子引导到盒子左面,将速度慢的分子引导到盒子右边。

关于麦克斯韦妖

图3:麦克斯韦妖

图3显现的是一盒气体被带有小孔的屏障分红两个腔室,分子能够一个接一个地通过小孔。一扇小门阻挡着小孔,而且由麦克斯韦1867年设想的小妖所看守:小妖调查随机运动的分子,它能够翻开或关闭小门,然后让快速的分子从右边移动到左面,让缓慢的分子向反方向移动。然后,这个机制就能够用来将无序的分子运动转化为定向的机械运动。

几十年来,这个“小妖”像一个令人颇感尴尬的现实处于物理学的中心方位,大多数时分它只是被当作一个理论难题疏忽掉。在麦克斯韦提出这个思维试验一个世纪今后,科学家们在他的出生地爱丁堡的一个试验室里制作出了一个实在的小妖。试验顶用到了一个分子环,它能够在两头有阻挠物的棒上来回滑动。在棒的中心有另一个分子,它能够以两种构象存在——一种阻挠分子环滑动通过,另一种答应分子环通过。这个分子因而就像是一扇门,类似于麦克斯韦开端设想的能够移动的小门。

由于这个试验的引导,很多的小妖设备纷繁呈现,包含由芬兰阿尔托大学纳米科学小组的 Jukka Pekola 和纽约大学石溪分校的 Dmitri Averin 制作的信息驱动冰箱。在这个冰箱里,气体分子被禁闭于一个双面纳米尺度的盒子中的单个电子取而代之,这个盒子与热浴耦合。冷却循环运用盒子中具有特定电子能量的两个简并态的存在。在循环最开端,电子处于一个确认的非简并态。外加电场将电子能量提高到简并能级,这样电子能够以持平的概率停留在两种状况中的任何一种。

这种不确认性的引进意味着电子的熵增加,而热浴的熵,也便是温度相应削减。此刻与榜首个单电子盒子耦合的另一个盒子扮演小妖的人物,它勘探电子处于两种状况中的哪一个,并主动将信息反响给供给驱动的电场,电场运用这个信息快速将电子返回到初始的非简并态,然后完结整个冷却循环。研讨人员发现,每次循环产生1比特信息——对应电子所在的状况——的进程能够以75%的均匀功率从热浴中提取热量。麦克斯韦是对的:信息的确能够作为一种驱动燃料。

由于分子速度是温度的衡量,所以小妖实践上是运用分子的信息在盒子里制作了一个热量梯度。然后,工程师就能够运用这个热量梯度来提取能量,做有用功。从表面上看,麦克斯韦规划了一台朴实由信息驱动的永动机,违反了热力学第二规律。

为了处理这个悖论,有必要将信息量化并正式包含到热力学规律中。现代信息论的根底由克劳德·香农在上世纪40年代末奠定。香农将信息界说为不确认性的削减——例如,通过查看掷硬币的成果来下降不确认性。掷硬币确认正面朝上仍是不和朝上时获得的信息便是了解的二进制数字,或许说比特。为了结合香农的信息论与热力学,信息被界说为负熵。因而,小妖为获得热力学优势而获取的任何信息都有必要在某个阶段以熵的增加为价值——例如,当小妖关于分子信息的回忆被铲除和重置以便能够重复循环时。

克劳德·香农

麦克斯韦只是设想了关于小妖的思维试验,但现在纳米技能的开展使得通过试验完结这个底子主意成为或许。数十亿年来,生命乃至一向在制作和运用各式各样的“小妖”。它们充满了咱们的身体。仿制DNA的分子机器、沿着纤维的物质运送,或许穿越细胞膜的质子泵的工作十分挨近抱负的热力学极限。它们游走在热力学第二规律的边际以获得能量优势。人类大脑的衔接中也运用了一种“小妖”——电压门控离子通道——来传达电信号。这些离子通道确保大脑能够以相当于一个弱小灯泡的能量工作,虽然它具有相当于一台兆瓦量级超级核算机的强壮功用。

2 生物信息的环境性质

“小妖”只是是生命的信息冰山之一角。生物信息远远超出了优化能量预算的功用;它常常扮演办理者的人物。咱们能够考虑受精卵发育为胚胎的进程。它在每一个阶段都遭到由多种物理和化学进程精密调理的信息网络的监督,一切这些组织使得终究杂乱的办法以正确的结构和形状呈现。

图4:人类胚胎,8-9周,38毫米长 | 图片改编自Anatomist90,维基同享

运用基因调控网络中的信息流来模仿胚胎产生的测验现已获得了明显成功。加州理工学院的 Eric Davidson 和搭档们从化学上描绘出了操控海胆前期发育的基因网络的完好衔接图画。通过盯梢信息流,研讨小组编写了一套核算机程序来逐渐模仿网络动力学。在每一个阶段,他们将回路状况的核算机模型与调查到的海胆发育阶段进行比较,成果获得了令人形象深入的匹配成果。研讨人员还在核算机模型中探讨了用化学办法让特定基因缄默沉静的影响,以猜想产生骤变的胚胎会遭受什么;成果他们的模型与试验调查再次相符。

普林斯顿大学的 Thomas Gregor 和 William Bialek 领导的小组一向在研讨果蝇发育的前期阶段,特别是其共同的形状特征开端是怎么呈现的。在发育进程中,细胞需求知道它们在三维空间中相关于其他细胞的方位。那么它们怎么获得方位信息呢?人们很早就知道,细胞具有一种依据化学梯度的 GPS,而化学梯度又进一步由特定基因的表达水平调理。普林斯顿大学的研讨小组最近将注意力会集在四种所谓的距离基因上,这些基因通过在身体构造上构成距离或条带为胚胎的形状奠定根底。研讨人员发现,细胞运用贝叶斯概率从基因表达水平中提取最佳方位信息,精度达到了惊人的1%。他们还将贝叶斯优化模型运用到骤变菌株上,并正确猜想胚胎改动后的形状。

图5:果蝇前期胚胎中的距离基因,它们的骤变会导致特定身体片段的缺失 | Haecker A, Qi D, Lilja T, Moussian B, Andrioli LP, Luschnig S, Mannervik M

这些剖析提出了一个要害的哲学问题,直指物理学和生物学概念不匹配这一问题的中心。基因调控网络的研讨和贝叶斯算法的运用现在被视为现象学模型,在这里,“信息”是产生实在生物体的传神模仿的一种便利的替代品或标签。但麦克斯韦妖给咱们的启示是,信息实践上是一个物理量,它能够深入地影响物质的行为办法。香农界说的信息不只是一个非正式参数,它是一个底子的物理变量,在热力学规律中占有一席之地。

香农着重,他的信息论朴实是处理信息活动的功率和才干,并不包含所传达信息的含义。但在生物学中,含义或环境至关重要。怎么才干从数学层面上探得辅导、监督或环境信息的性质呢?有一种办法是分子生物学中所谓的中心法则——这是克里克和沃森在推导出DNA双螺旋结构大约十年后发明的一个术语,中心法则以为,信息是单向活动的,从DNA到制作蛋白质的机器,再到生物体。咱们或许称之为“自下而上”的活动。

现在咱们早已得知:生物学中的信息传递是一个双向进程,包含反响循环和自上而下的信息流。例如,咱们培养皿中的细胞过于拥堵,它们就会中止割裂,这种现象被称为接触抑制。此外,国际空间站上的微生物试验标明,细菌在失重环境下会表达的基因或许与在地球上不同。明显,体系层面的物理效果会在分子水平上影响基因表达。

美国塔夫茨大学艾伦发现中心的 Michael Levin 和搭档们的工作为自上而下的信息流供给了一个有目共睹的比方。Levin 的小组正在探究,关于操控一些生物体的成长和形状而言,体系层面的电办法怎么能像机械力或化学办法相同重要。健康细胞是电极化的:它们通过泵出离子,在细胞壁两边保持几十或几百毫伏的电势差。与之相反,癌细胞则倾向于去极化。 Levin 的小组发现,在多细胞生物中,跨组织的细胞极化办法在成长发育、创伤愈合和器官再生中发挥着要害效果。通过从化学上损坏这些电极化办法,能够产生新的形状次序。扁形动物门涡虫纲的片蛭科生物能够作为便利的试验目标。咱们一只一般的虫子被切成两半,头部的一半会长出一条新的尾巴,尾巴的一半会长出一个新的头部,这样就构成了两只完好的虫子。但通过改动创伤邻近的电极化状况,能够构成有两个头或两个尾巴的虫子。

图6:这只双头虫是通过操作电极性发明出来的。当这种虫子被切成两半时,它会繁衍出更多的双头虫,就好像构成了一个不同的物种,虽然它和正常的单头虫有着相同的DNA。整个身体发育的信息以某种办法表观遗传给了子孙 | Adapted from T. Nogi et al., PLOS Negl. Trop. Dis. 3, e464, 2009

令人惊奇的是,咱们将这些怪物切成两半,它们不会康复到正常形状,相反,双头虫会产生更多的双头虫,双尾虫相同如此。虽然它们都具有相同的DNA,看起来却像是不同的物种。体系的形状信息必定以一种分布式的办法存储在切断的组织中,并在基因水平辅导适宜的再生。但这一切是怎么做到的?是有一套电信号暗码与遗传暗码同步运作吗?

表观遗传学是在不改动DNA序列的前提下,通过某些机制——比方超出基因层面的物理效果——引起可遗传的基因表达或细胞体现型的改动。对表观遗传的信息存储、处理和传输机制,咱们知之甚少,但它们在生物学中的效果至关重要。若要获得开展,咱们需求发现电的、化学的、基因的这些不同类型的信息办法怎么相互效果然后产生一个调理结构,办理生命物质的组织,并将其转化为特定的体现型。

用信息的术语而非朴实的分子术语来考虑生命物质的物理学,就像核算范畴软件和硬件之间的差异相同。正如要彻底了解一个特定的核算机运用程序需求对软件工程原理和核算机电路的物理了解得相同多,只要当生物信息动力学的原理被充沛阐明,咱们才干了解生命。

3 动力学的新概念

自牛顿的年代以来,一种底子的二元论就浸透于物理学。虽然物理状况会跟着时刻演化,但底层的物理学规律一般被以为是不变的。这个假定是哈密顿力学、轨道可积性和遍历性的根底。可是,不变的规律不那么适用于生物体系,在生物体系中,信息的动态办法与随时刻改动的化学网络相耦合,而表达的信息——例如基因的敞开——或许既依赖于大局或体系的物理效果,也依赖于部分的化学信号。

生物学演化具有敞开的多样性、新颖性和不行猜想性,这也与非生物体系随时刻改动的办法构成鲜明对比。可是,生物学并不意味着混沌,咱们能够找到许多发挥效果的规矩的比方。以通用的遗传暗码为例,核苷酸三联体 CGT 编码氨基酸中的精氨酸。虽然这个规矩没有什么已知的破例,但把它看作像是万有引力规律相同原封不动的自然法则是过错的。简直能够必定的是,CGT分配给精氨酸作为暗码子是数百万年前从一些更早更简略的规矩中呈现的。生物学这样的比方举目皆是。

对生物体系改动的一个更传神的描绘将是,动力学规矩作为体系状况的函数而改动。依赖于体系状况的动力学为各种别致行为拓荒了宽广的图景,但它还远不是一个正式的数学理论。为了了解这傍边或许需求什么,无妨将它与一盘国际象棋做类比。在规范国际象棋中,体系是关闭的,规矩是固定的。从传统的初始状况开端,棋手能够自在探究棋子的各种布局,虽然这意味着巨大的或许性,但却遭到不行更改的规矩的束缚,只局限于棋盘上一切或许的棋子排布的一个小子集。或许的办法虽多,不答应的办法更多——比方让一切主教占有相同色彩的方格。

现在幻想一种通过修正的国际象棋游戏,它的规矩能够依据游戏的全体状况,也便是体系层面或许自上而下的规范而改动。举一个看上去有点傻的比方,咱们白棋处于优势,那么或许能够答应黑棋的兵既能够向前走,也能够向后走。在这个扩展版别的国际象棋游戏中,体系是敞开的,新的游戏状况将会呈现,这是运用规范国际象棋的固定规矩时底子不或许呈现的。这个虚拟的游戏就像是生物学,生物体也是敞开的体系,它们能够完结非生命体系看似不或许完结的工作。

我在亚利桑那州立大学的研讨小组运用了一维元胞主动机的一种修正版别,在一个捕获自上向下信息流的简略模型中,探究与状况相关的动力学的影响。规范的元胞主动机是一排方格,它们要么空白,要么是填充的;然后依据每个元胞的现有状况及其最近邻的状况,运用一套固定规矩来更新它们的状况。咱们的体系有256种或许的更新规矩。

图7:一维元胞主动机的演化。榜首行标明初始元胞状况,第二行标明更新规矩,第三行标明下一代元胞状况 | Cormullion/Wikipedia

要玩元胞主动机游戏,需求挑选一个初始元胞办法——元胞办法能够便利地标明为0和1组成的二进制序列——然后重复运用所挑选的更新规矩让体系演化。许多更新规矩会导致庸俗的成果,但有少量规矩会产生杂乱的演化办法。为了完结修正版别的、依赖于体系状况的元胞主动机,我的搭档 Alyssa Adams 和 Sara Walker 核算耦合了两个规范的元胞主动机。其间一个代表生物体,另一个代表环境。然后,这两位研讨人员答应生物体的更新规矩在每次迭代时改动。

为了确认在给定的进程中,究竟要运用256种规矩中的哪一个,他们将生物体元胞主动机的元胞捆绑成相邻的三联体——000、010、110等等,并将每个三联体的相对频率与环境元胞主动机中的相同办法进行比较。这样的组织就改动了更新规矩,使其既是生物体状况的函数——使其具有自指性,也是环境状况的函数——使其成为一个敞开的体系。

Adams 和 Walker 在电脑进步行了数千个事例研讨,以寻觅风趣的办法。他们想要辨认出既敞开——生物体不会很快回到其初始状况——又立异的演化行为。立异在这个语境下意味着,调查到的生物体状况序列永久不会呈现在从任何初始状况开端的、具有256种或许的固定规矩的元胞主动机中。这就比方在修正版别的国际象棋游戏中,四个主教终究呈现在相同色彩的方格中。

虽然这种敞开、立异的行为很稀有,但仍是呈现了一些清晰的比方。这个进程花费了很多的核算时刻,但 Adams 和 Walker 的发现足以让人信任:即便在他们的简略模型中,依赖于状况的动力学供给了通往杂乱性和多样性的新途径。他们的研讨标明,只是处理信息比特是不行的。为了捕捉生物学的悉数丰富性,信息处理规矩自身也有必要演化。

4 量子边际的生命

咱们生物学运用了新物理,比方依赖于状况的动力学规矩,那么它在简略分子和活细胞之间的哪个方位呈现呢?元胞主动机模型或许具有辅导含义,但它们是卡通,不是物理;它们不会独爱咱们去哪里寻觅呈现的新现象。现实上,物理学中现已包含了依赖于状况的动力学的一个了解比方:量子力学。

在孤立的状况下,由相干波函数描绘的纯量子态会以可猜想的办法演化,遵从一个众所周知的数学公式——幺正演化。可是当进行丈量时,量子态会忽然改动——这种现象一般被称为波函数的坍缩。在抱负丈量中,波函数坍缩会将体系投射到与被丈量的可观丈量相对应的一个或许本征态上。在这一步,幺正演化规矩被玻恩规矩替代,后者猜想丈量成果的相对概率,并将不确认性引进量子力学。这标志着从量子到经典范畴的改变。因而,量子力学能独爱咱们是什么让生命工作吗?

薛定谔在他闻名的都柏林讲演中曾求助于量子力学来解说遗传信息存储的稳定性。在克里克和沃森阐明 DNA 结构之前,薛定谔曾揣度,信息有必要在分子水平上存储于他所谓的“非周期性晶体”中,而这终究被证明是对作为遗传物质载体的核酸聚合物的一个直观描绘。可是,一种或许性依然存在,那便是量子现象在生物体中或许扮演着更遍及的人物。

在之后的几十年里,一个遍及的假定流传开来:在生命物质的温暖喧闹的环境中,量子现象将被摧残,经典的球棒化学足以解说生命。可是,在曩昔十年左右时刻里,人们对一种新的或许性越来越感爱好——非普通的量子现象,如叠加、羁绊和隧穿效应等,或许对生命至关重要。虽然仍有相当多的置疑,但科学家现在正对量子生物学这一新范畴进行深入研讨。研讨专心于各式各样的课题,如光协效果中的相干能量传输、鸟类的磁感知,还有苍蝇的嗅觉反响。

在纳米尺度上研讨生命物质的量子特性面临着严重应战。对生命工作至关重要的体系或许只要几个自在度,或许远离热力学平衡,而且或许与周围的热环境激烈耦合。但正是在非平衡量子统计力学范畴,咱们等待或许呈现新物理。

一组或许相关的试验是丈量有机分子中的电子电导。最近,Gábor Vattay 和搭档们宣称,许多重要的生物分子,如蔗糖和维生素D3,都具有共同的电子电导性质,与绝缘体和无序金属导体之间的临界改变点有关。他们写道:“这些发现标明,生命物质中存在一种遍及的电荷输运机制。”虽然他们的发现并不能阐明量子奇异性能够解说生命,但他们的确暗示,在量子调谐的大分子范畴,人们或许会发现薛定谔和他的同年代人所猜想的新物理学的呈现。

5 思维的奇形怪状

理论物理学家惠勒常说,科学的严重开展更多地源于不同思维的奇形怪状,而非现实的稳步堆集。生物物理学处于物理科学和生命科学这两大科学范畴的交叉点。每个范畴都有自己的词汇,也有自己共同的概念结构,物理学根植于力的概念,生物学根植于信息的概念。这两者奇形怪状出的火花预示着一个新的科学前沿,在这里,现在被正式了解为是一个物理量——或许说是一组量的信息占有了中心方位,然后将用于一致物理学和生物学。

分子生物学在曩昔几十年的巨大开展很大程度上归功于力的概念在生物体系中的运用,这是物理学对生物学的浸透。美妙的是,相反的工作正在产生。许多物理学家,尤其是那些致力于量子力学根底问题的物理学家,建议将信息放在物理学的中心方位,而另一些物理学家则猜想:新物理学潜藏在有目共睹且令人困惑的生物体的国际中。生物学正在成为物理学的下一个巨大前沿。

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