How do you say物理学中的“生活”？

JEremy England担心言语 - 关于他们的意思，关于他们包含的宇宙。他避免了像“意识”和“信息”这样的人;他说，太装了。太危险了。当他正在寻找正确的话说时，他的声音在恢复流体声学之前逐渐消失在八度音阶或两者。

他的谨慎是可以理解的。马萨诸塞州理工学院的34岁助理物理学教授是一个名为“耗散适应”的新理论的建筑师，这有助于解释如何复杂，生活的功能可以自我组织，从更简单的事情中脱颖而出，包括无生命事项。这一命题已获得英格兰有点不受欢迎的绰号：下一个查尔斯达尔文。但英格兰的故事就像是关于生物学的语言一样多。

不同的科学领域本身也是语言，科学解释有时只是翻译。例如，“红色”是“620-750纳米波长”的翻译。“温度”是“一组粒子的平均速度”的翻译。翻译越复杂，含义就越深刻。“重力”是指“时空的几何学”

生活怎么样?当我们看到生命时，我们以为自己了解它。达尔文的理论甚至解释了一种生命形式是如何进化成另一种生命形式的。但是当知更鸟和岩石都遵循相同的物理定律时，它们之间有什么区别呢?换句话说，物理学中的“生命”怎么说?有些人认为这个词是不可翻译的。但也许它只是需要正确的翻译。

W当其他12岁的男孩在读漫威漫画时，英格兰在读遗传学的动画片指南．封面描绘了一名戴着水肺的潜水员遇到了一根真人大小的水下DNA链。里面是生物学基础知识之旅，从核糖体到植物性。英国立刻被激起了兴趣。

他告诉我:“看到分子是如何完成功能的，我觉得这真是太神奇了。”英格兰说话热情，用他的手，头上戴着一顶犹太毡帽。

以DNA聚合酶为例，他说。从生物学的角度来说，它的工作是通过组装核苷酸来创造新的DNA分子，核苷酸由化学碱基、糖和磷酸组成。“当你看到这个故事展现在你面前时，一切都说得通——在我们看来，它只是在努力实现一个目标，”英格兰说。然而，这些东西与无生命的物质几乎无法区分。你把它们弄成更小的碎片，它们就只能旋转和振动。”

在哈佛大学(Harvard University)读本科时，他与生物物理学家尤金·沙克诺维奇(Eugene Shakhnovich)一起研究蛋白质折叠。蛋白质数据库中保存着详细描述“美丽描绘的丝带和床单”的文件，这些文件按属性用颜色编码。每一种蛋白质都由20种相同的氨基酸组成。然而，无论如何，一旦它们被折叠成形状，每一个都会执行生命所必需的特定而重要的过程。“氨基酸不能给你写一首十四行诗，”英格兰说。“但当你把几百个字母串在一起时，突然之间，你就得到了一台看起来像是为特定目的而制造的机器。”

维特根斯坦认为，一个词的意思取决于它的上下文，而上下文是由使用它的人决定的。

不知何故，从盲目的搅拌，就像目的一样出现。这些碎片，单独服从只有物理学的基本定律，集体累积功能。功能似乎没有物理世界：时间和空间不存在任何表达的原因，但只是。在生物学中，系统可以进行微调。移动，催化和构建。生命与不生命之间的“函数”一词。这是我们赐予仅仅似乎生活的东西，或者是更固有的东西吗？正如英格兰在2014年在瑞典的Karolinska Institutet讲述了观众，物理学并没有区分生活和不生命。但生物学确实如此。

在获得博士学位后，当他在普林斯顿大学做研究员时，英格兰有时会开车去纽约看望他儿时的老朋友，一个主修哲学的人。他的朋友带着英国人去了下东区他最喜欢去的地方，和他长篇大论地聊起了奥英混血的哲学家路德维希·维特根斯坦(Ludwig Wittgenstein)。

Wittgenstein在挪威森林中生活在孤独 - 他的一生 -Waldeinsamkeit.- 以及写下所谓的“语言游戏”或分享关于沟通的约组套装。一些哲学家坚持认为这个词的意思是世界上的物理对象中的内容。然而，Wittgenstein认为这个词的意义取决于其背景，由正在使用的人确定的背景。玩语言游戏有点像在代码中说话 - 如果两个人参加了双方都很了解的活动，他们可以使用更少更简单的单词来使自己听到。不同的人民 - 音乐家，政客，科学家，以及雇用的语言游戏，适合他们的单独需求。新语言游戏不断爆发。意味着改变形状。单词适应。

英格兰说:“在阐明这一观点的过程中，他传达了我在《希伯来圣经》的开篇段落中也发现的同样的思想。”

“起初，上帝创造了天地……”这里，希伯来语中"创造"的意思是巴拉，“天堂”这个词是Shamayim“地球”这个词是aretz;但是，他们的真实含义，英格兰说，只有在以下经文中才能通过他们的背景来观看。例如，它变得清楚巴拉，创建，需要一个名称的过程;世界的创造是创造语言游戏。“上帝说，'让那里有光线，'和有光明。”上帝通过说出名字来创造光线。“我们已经听到这句话这句话如此多的时候，当我们足够大时要思考它，我们很容易错过最简单的点，”英格兰说。“我们看到世界的光线来自我们谈论它的方式。”如果您试图使用物理语言来描述生物学，这可能很重要。

这是他被迫做的。作为麻省理工学院的一名年轻教员，他既不想停止学习生物学，也不想停止思考理论物理学。他说：“当你拒绝放弃两件在谈话方式上存在分歧的事情时，就会迫使你朝着翻译的方向前进。”

我在犹太传统中，“奇迹”并不一定违背自然法则。相比之下，它们没有那么宏大，奇迹是一种以前被认为不可想象的现象。这一奇迹的见证人被要求重新构建他们的假设并解决矛盾。简言之，他们必须开始用新的眼光思考自己的世界。

对于精通统计力学的物理学家来说，从这个意义上讲，生命可以显得不可思议。热力学第二定律要求，对于一个封闭的系统——比如盒子里的气体，或者整个宇宙——无序性必须随着时间的推移而增加。雪融化成一个水坑，但水坑不会(自己)自发地形成雪花的形状。如果你看到一个水坑这样做，你会认为你是在看一场倒转的电影，仿佛时间在向后移动。第二定律对大群粒子的行为施加了不可逆性，让我们可以玩像“过去”、“现在”和“未来”这样的词


时间的箭头指向无序的方向。然而，生活之箭却指向相反的方向。从一个简单的，沉闷的种子生长出一个复杂的结构花，从无生命的地球，森林和丛林。支配那些我们称之为“生命”的原子的规则，怎么会与支配宇宙中其他原子的规则如此不同呢?

1944年，物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）在一本名为生活是什么？。他认识到，活的有机体不像盒子里的气体，是开放的系统。也就是说，他们承认自己和更大的环境之间的能量转移。即使生命维持其内部秩序，它向环境释放的热量也会让宇宙按照第二定律的规定经历熵(或无序)的总体增加。

蛋白质和酶等物质的产生可能比我们想象的要容易。

与此同时，Schrödinger指出了第二个谜题。他说，产生时间之箭的机制不可能与产生生命之箭的机制相同。时间的箭头来自于大量的统计数据——当你有足够多的原子在周围旋转时，无序的结构比有序的结构要多得多，它们陷入更有序状态的几率为零。但当涉及到生命时，秩序和不可逆性甚至在微观尺度上也必须占主导地位，因为发挥作用的原子要少得多。在这个尺度下，原子的数量不足以让它们的统计数据产生像第二定律那样的规律。例如，核苷酸——RNA和DNA的基本组成部分，生命的基本组成部分——仅由30个原子组成。然而，Schrödinger指出，遗传密码难以置信地保持良好，有时超过数百万代，“具有持久性或持久性近乎奇迹。”

那么基因是如何抵抗衰老的呢?它怎么能在脆弱的重压下不崩溃呢?必须有比统计学更深层次的东西在起作用，它可以让小群原子不可逆地自力更生，成为某种“有生命的”东西。

半个世纪后，当英国化学家加文·克鲁克斯首次用数学方法描述了微观不可逆性时，线索出现了。在1999年发表的一个单一方程中，克鲁克斯证明了一个由外部能量源驱动的小型开放系统可以以一种不可逆的方式改变，只要它在变化时耗散它的能量。

想象一下，你站在篱笆面前。你想到另一边，但围栏太高了跳跃。然后朋友递给你一个pogo棍子，你可以用来跳到另一边。但是一旦你在那里，你就可以使用同一个pogo棒再次跳到围栏，最后回到你开始的地方。外部能量源（Pogo Stick）允许您进行更改，而是一个可逆的。

现在想象一下，而不是一个pogo棒，你的朋友递给你一个喷气式包装。你射击了喷气包，它会在围栏上发射你。当你清理围栏时，喷气机包装将其燃料渗透到周围的空气中，因此在你的土地上，你的包装中没有足够的能量让你再次让你回到围栏。你被困在远方。你的变化是不可逆转的。

克鲁克斯证明，一组原子同样可以接受外部能量的爆发，并利用它将自己转变为一种新的结构——也就是说，跃过栅栏。如果原子在变换时消耗了能量，那么这种变化可能是不可逆的。它们总是可以利用下一次爆发的能量来转换回来，而且它们经常会这样做。但有时他们不会。有时他们会利用下一次爆发来过渡到另一种新的状态，再次消耗他们的能量，一步一步地转变自己。这样，耗散并不保证不可逆性，但不可逆性需要耗散。

克鲁克斯的结果是非常普遍的，适用于任何系统失衡的变化，包括潜在的生命。但是，England说，“对于如何看待一个庞大而混乱的多体系统，其中包含大量的耗散，这可能是一个值得注意的问题。这些结果似乎是真实的，但可能难以计算。”2013年，当英格兰在加利福尼亚州加州理工学院演讲时，他一直在旅馆房间里玩克鲁克斯方程的变量。从克鲁克斯方程可以清楚地看出，为了实现生命的一个标志——不可逆性，一个系统需要特别善于吸收和散热。但他知道这不是全部。

他说:“这就像是在同一个基本点附近徘徊。”“然后你把它放下，睡觉，想着不同的事情。当你回头看的时候，有时墙上有个开口。随着时间的流逝，你会得到不同的东西。”

最后，点击了。鉴于特定的能源，一些原子的布置将更好地吸收和花费它比其他原子更好。这些安排更可能经历不可逆的转化。如果一些系统随着时间的推移比其他人更好地变得更好，那么然后，一系列不可逆转的变换成为化合物，自身拉动的效果。英格兰将铅笔纸张纸张写着，并撰写了第二种热力学定律的概括，考虑到了一个系统的耗散历史，并且他说，揭示了揭示了结构和生命功能的出现。在去年年底的一篇文章中，他把它放在了以下方式：

虽然系统的任何给定形状变化大多是随机的，但当系统恰好在吸收和耗散功方面暂时更好时，这些结构变化中最持久和不可逆的变化就会发生。随着时间的推移，这些不太可擦除的变化的“记忆”优先累积，系统越来越多地采用类似于其历史中发生耗散的形状。回顾这一非平衡过程产品的可能历史，我们会发现，这种结构似乎自组织成了一种“很好地适应”环境条件的状态。这就是耗散适应现象。^1.

当然，一个原子系统并不试图做任何事情 - 它只是盲目，随机地，随着自己洗牌。然而，通过从一种形状到另一个形状的旅程，它是化学故事的星座，它自我组织成类似于它的适应我们的东西。“语言是一个迷宫，”Wittgenstein说。对英格兰，翻译感觉对。How do you say物理学中的“生活”？他称它为“耗散适应”。

我听起来可能听起来好像耗散适应减少我们以仅仅为阳光冷却塔。但理论意味着不止于此。达尔文自然选择可以重新获得一种特殊情况，即耗散适应的更广泛现象，一种更基本的语言的方言。虽然在微观规模上发生耗散适应，但在宏观自助复制器的世界中发生自然选择。自我复制是消耗和消散能量的绝佳方式。在耗散适应的语言中，像“健身”一样对新含义。“本文没有以一系列最佳功能定义的健身，而是因为它与环境中可用能源的”提供“的关系，”东北大学物理学助理教授Meni Wanunu说。随着系统散发能量，它们以不可逆转的方向漂移，通过这样做变得“卓越”，因为英格兰放置，而不是完美或理想。“一只鸟不是飞行的全球最优，”英格兰说：“这比飞行比岩石或蠕虫更好。”

理论挑战我们重新思考使生活特别的卓越功能：“我们在我们寻找功能的地方有更多的灵活性，”英格兰说。从弱交互粒子集合的复杂功能的出现现在是一个可以分解为由外部驱动驱动的许多小不可逆变换的过程。蛋白质和酶等物质的产生可能比我们想象的要容易。“这可能不是精致选择自我复制的氨基酸序列的问题，”英格兰说。“您可能会有更快的时间尺度可以自组织。如果我们可以说服自己的生命的开始看起来更像是一个斜坡或楼梯，那么朝着正确的方向上点的较小增量变化，那么这可能至少重置我们应该想象哪些场景的概念。“

该理论不仅仅是帮助我们对过去 - 它还表明了新的设计和工程方法。“如果我想模仿一些生活的事情，也许它不必像我认为的那样模仿生物。”一个例子可能是一个名为“紧急计算”的东西，英格兰和实验室的成员目前正在学习。目标是让粒子的系统发展，以发展能够预测其环境的变化，而无需接收关于如何执行此操作的任何设计说明。毕竟，在波动环境中吸收和消散能量，恢复良好，毕竟需要一定程度的预期。“如果我们成功地这样做，该论点就是某种方式，系统中的粒子正在以有效地实现关于过去的统计数据来实现关于未来的计算，”英格兰说。这可能会影响基于预测能力的技术，从神经网络到告诉我们何时购买飞机票的机器人。

这是翻译的令人惊讶的力量。如果它有效，可能是布丁的证据，以耗散适应性需求。目前，万村正在预留判决。“英格兰提出了一套新的成分。只是布丁事实证明会令人兴奋和有趣。“哈佛大学系统生物学副教授Jeremy Gunawardena并不完全销售在这种方法中。“杰里米希望他能够避免思考化学，看看出现生活的抽象必需品作为一个身体必需品，”他说。“我不相信。但是，我认为他正在努力解决问题，我相信我们将学习有趣的东西。“

这很公平。毕竟，用已故的翁贝托·艾柯(Umberto Eco)的话来说，“翻译是失败的艺术。”这个全新译本的失败和取舍有待发现。在一天结束的时候，也许不可能只有一种语言来表达生活的复杂性。但英格兰想让我们试试新的。他这样放进去的评论去年的杂志：“有一个以上描述世界的可行语言，上帝希望人们说出所有人。”

艾利森·艾克(Allison Eck)是一名科学作家和数字副制片人网上新星。她住在波士顿。

参考

1.英格兰，J.L.驱动自组装中的耗散适应。纳米技术10，919-923（2015）。

本文最初发表于2016年3月的“适应”问题。