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无界 | 生物宇宙学重新定义生命!

发布作者:超级管理员 发布时间:2022-05-04 阅读次数:108

科学最大的奥秘之一,是生命以何种方式融入我们对于宇宙的更广泛理解。特别是,许多理论物理学家一直想知道,为什么极其复杂的生命能够与热力学定律相安无事——这些定律认为,所有系统都必定不可避免地蜕变至一种极其混乱的状态。

对于宇宙学家来说,这意味着宇宙将逐渐冷却,变成一个寒冷、停滞的死亡物质池。这种令人不快的宿命被称为“热寂”。

但在过去40亿年里,地球上的生命却朝着相反的熵值方向行进,变得越来越复杂。我们的行星最初是一块巨大而炽热的岩石,上面散布着构成了相对简单分子的元素。今天,地球是一个欣欣向荣的分子机械球,其中某些部分具有几乎难以想象的复杂性。

这一切是如何发生的?对于整个近代历史中的许多科学家而言,他们怀疑有些事情、有些地方不合常理。

现在,包括美国系统生物学研究所的斯图尔特·考夫曼和加拿大佩里米特理论物理学研究所的李·斯莫林在内的一个科学家小组说,新的热力学第四定律可以解决这一悖论,这种新的思维方式将把生物学和宇宙学联结成为一个全新的学科,他们称之为“生物宇宙学”。

考夫曼、斯莫林及其团队从对宇宙进行熵值盘点着手。这实际上就是对宇宙中所有可能状态的数目进行清点。他们从粒子开始——与粒子相关的总熵达到10的90次方数量级。不过,所有黑洞的熵值则要大得多,大约为10的104次方数量级。而这个熵值与真空能量的相关熵值相比又显得微不足道,后者达到10的124次方数量级。

考夫曼、斯莫林团队接下来考虑的重点是生物学中可能存在的构型状态数目,以及这一数目与上述天文数字相比会有怎样的结果。

乍一看,这个问题似乎很容易回答。他们指出:“地球上粒子的数目远远少于可观测宇宙中的粒子,相差大约30个数量级。因此,看起来一目了然的是,生物学的任何贡献肯定是无足轻重的。”

但他们说,事实证明这种思维方式是错误的。他们的关键理念是,对可能存在的生物学状态的数目统计,必须采用一种不同于统计宇宙中其他状态的方法。而正是这种新的计算方法,将明显改变得出宇宙熵值预算的那种计算方式。

导致这种新的思维方式的线索是:进化过程只是从所有可能的生物构型中选择一小部分。因此,像我们在地球上看到的蛋白质之类的生物分子,以及它们结合形成复杂生物的方式,只是所有可能存在的状态数目中的一小部分。

此外,随着时间推移,由于可以组合到一起的构件变得更加复杂,可能的构型数目还将增加。生物分子最初是由最多6种不同元素——碳、氢、氮、氧、磷、硫——构成的,而它们可以形成形形色色复杂的有机分子。

这种组合过程与物理学家通常认为的并受到物理学定律支配的过程存在根本差异。这些物理学定律对可以形成什么状态和不可以形成什么状态设置了重要的限制。

相比之下,不存在阻止某些构型出现的“生物学定律”。事实上,它们中的任何构型都有可能出现。这就是为什么生物构型空间如此巨大,而且还在不断扩大的原因。

利用这种思维,研究人员计算出,当大约38亿年前生命最早在地球上出现时,生物构型空间拥有数量级达10的10次方的237次方的潜在状态。

研究团队得出结论称,换句话说,“生物圈拓扑空间中所包含的微观状态的数目,要比整个宇宙中所存在的全部构型状态数目还要多”。

这是一个非同寻常的研究成果,因为它将生物学置于宇宙学的基础之上。该研究团队说:“这一研究结果意义深远,它将为未来的研究开辟各种新思路,并开启一个我们称之为生物宇宙学的新的科学领域。尤其是,生命信息内容与宇宙信息内容之间的关系可能需要从零开始进行重建。”

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