「生命」到底是什麼?又是如何開始的?

  发布时间:2024-05-17 05:35:42   作者:玩站小弟   我要评论
文:Paul Davies 保羅・戴維斯)|譯:温福來自從詹姆斯・克拉克・馬克士威 James Clerk Maxwell)提出了他著名的惡魔假說之後,資訊 information)和物理之間就已隱含 。

文:Paul Davies (保羅・戴維斯)|譯:温福來

自從詹姆斯・克拉克・馬克士威 (James Clerk Maxwell)提出了他著名的生命什麼惡魔假說之後,資訊 (information)和物理之間就已隱含著關聯。到底現在,又何資訊正成為連接物理學和生物學的開始關鍵概念。

「生命」的生命什麼奧妙在於賦予生物體獨特的活力

對於物理學家來說,生命就像是到底魔術般神奇。生物成就壯舉,又何如此耀眼且神祕,開始以至於人們很容易忘記它們其實是生命什麼由普通原子所構成的。但是到底,如果生命的又何奧秘不在於製造生物體的材料,那又是開始什麼呢?是什麼賦予了生物體獨特的活力,使它們與眾不同?這就是生命什麼埃爾溫‧薛丁格 (Erwin Schrödinger) 在1943年於愛爾蘭都柏林 (Dublin, Ireland) 舉行的一系列著名演講中所提出的問題,並於次年出版了一本極具影響力的到底書,名為《生命是又何什麼》(ref.1)。

薛丁格 (Schrödinger) 是理論物理學的巨人,也是量子力學的創始人之一。量子力學無論在應用還是在準確性方面,都是有史以​​來最成功的科學理論。例如,當應用於電磁場時,它能以超過十位有效數字的精確度,正確地預測電子的異常磁矩 (anomalous magnetic moment)。幾乎一下子,量子力學解釋了無生命物質的本質,從亞原子粒子到原子和分子再到恆星。但令人沮喪的是,它並不能解釋生命物質。 儘管在過去的幾十年中,生物學取得了驚人的進步,但是生命仍然是個謎。 沒有人能確定生命是什麼或是如何開始的(ref.2)。

當被問到物理學是否可以解釋生命時,大多數的物理學家都會回答「是」。

人類已知的知識能否完整解讀「生命」之定義?若不行,要如何進行太空探測計畫「找尋其餘生命痕跡」?

但更核心的問題是,已知的物理學是否可以解釋生命,或者根本上需要新的基礎物理。在1930年代,許多量子力學的先驅,包含著名的尼爾斯・波耳 (Niels Bohr),尤金.維格納 (Eugene Wigner) 和維爾納・海森堡 (Werner Heisenberg),都直覺上認為生命物質中的確存在著一些新的物理規律。薛丁格不確定地推測說:「我們必須做好準備去發現一種普遍存在於生物系統中新的物理定律」,但他沒說那可能是什麼。

這些問題超出了單純的學術興趣。 天文生物學 (astrobiology) 的核心目標是尋找地球以外的生命痕跡,但是如果沒有先定義「生命」,就很難確切知道該尋找什麼。

例如,美國航空暨太空總署(NASA)計劃執行一項任務,以飛越從土星衛星二號(Enceladus)表面裂縫中所噴出的物質羽流。(註:土衛二是已知含有有機分子的星球,詳細請參閱約翰· 斯賓塞(John Spencer)在《Physics Today》雜誌中的文章,2011年11月,第38頁)怎樣才能使懷疑論者相信該物質流中含有生命,或含有曾經存活過的有機體的碎屑,而不是某種形式的前生命 (pre-life)物質?與磁場的測量不同,科學家缺乏生命的量測器,一種能夠量化化學混合物朝向已知生命發展過程的指標儀器。

生命象徵一:碳代謝 (carbon metabolism)

大多數的天體生物學家專注在找尋我們所知的「生命象徵」。 例如,NASA於1970年代的火星維京飛行任務 (Viking mission),便以尋找碳代謝 (carbon metabolism) 的跡象為的地表生命指標。

生命象徵二:同手性 (homochirality)

另一個備受關注的「生命象徵」是同手性 (homochirality)——也就是僅存在著一種鏡像異構物 (enantiomer)。儘管物理定律具有左右對稱性,但已知的生命形式使用了具有左旋性(left-handed)的胺基酸和具有右旋性(right-handed)的糖。不過由於無機的土壤化學反應可以模擬新陳代謝(metabolism),而且在不涉及生命的條件下,同手性也可以透過反覆的化學循環而產生,因此這些假定的生物象徵仍有待商榷。

在更遠的地方,識別生命的問題變得更加困難。天體生物學家將希望寄於探測系外行星 (extrasolar planets) 大氣中的氧氣。但同樣地,大氣中的氧氣並不是光合作用 (photosynthesis) 的明確標誌,因為非生物過程也會產生充滿氧的大氣環境。

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?

「物理學」和「生物學」,兩種科學架構的鴻溝,須由「生物物理學」來彌補

物理學和生物學之間的鴻溝,不僅僅是關於複雜性的問題,此兩者的概念框架存在著根本上的差異。物理學家使用能量、熵(entropy)、分子間作用力和反應速率等概念來研究生命,而生物學家則使用截然不同的敘述,例如信號、代碼、轉錄和轉譯(即「資訊」的語言)之類的術語。

一個引人注目的例證是新穎的CRISPR技術,該技術使科學家能夠編輯生命密碼(詳請參閱Giulia Palermo等人刊登於《Physics Today》的文章,2019年4月,第30頁)。蓬勃發展的生物物理學領域,便試圖透過對各種生物控制網路中的「資訊流」和「儲存模式」進行數學建模,來橋接物理學和生物學之間的鴻溝。

生命在各個層次上都在進行「資訊儲存」和「資訊處理」,而不僅僅只於DNA。一段加密具有功能性的DNA序列 ,也就是「基因」,可以透過化學訊息(chemical messengers)打開或關閉其他基因,而且它們通常會形成複雜的網路結構。這些化學電路類似於電子或計算組件,有時構成執行邏輯操作的模組或閘門(ref.3)。


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