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生物宇宙学重新定义生命


时间:2022-05-03  来源:  作者:  点击次数:


据美国《发现》网站4月30日报道,科学最大的谜团之一是生命是如何融入我们对宇宙更广泛的理解的。特别是很多理论物理学家一直在想,为什么极其复杂的生命也能和热力学定律和平共处。这些定律认为所有的系统都不可避免地会退化到一个极度混乱的状态。

对于宇宙学家来说,这意味着宇宙将逐渐冷却,成为一个冰冷、停滞的死亡物质池。这种不愉快的命运被称为“热死”。

然而,在过去的40亿年里,地球上的生命一直在朝着与熵相反的方向发展,变得越来越复杂。我们的星球最初是一块巨大而炽热的岩石,由相对简单的分子组成的元素散布在上面。今天,地球是一个欣欣向荣的分子机械球,其中一些部分具有几乎难以想象的复杂性。

这一切是怎么发生的?对于整个近代史上的很多科学家来说,他们怀疑有些事情和地方是不合理的。

现在,包括美国系统生物学研究所的斯图尔特考夫曼(Stuart Kaufman)和加拿大周界理论物理研究所的李斯莫林(Lee smolin)在内的一批科学家表示,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系成一门全新的学科,他们称之为“生物宇宙学”。

考夫曼、斯莫林和他们的团队从宇宙熵清单开始。这实际上是在计算宇宙中所有可能状态的数量。它们从粒子开始,与粒子相关的总熵达到10的90次方数量级。然而,所有黑洞的熵要大得多,大约是10的104次方。然而,这个熵值与真空能量的相关熵值相比是微不足道的,真空能量的熵值达到了10的124次方的数量级。

接下来,考夫曼和斯莫林的团队将专注于生物学中可能的配置状态的数量,以及这个数量将如何与上述天文数字进行比较。

乍一看,这个问题似乎很容易回答。他们指出:“地球上的粒子数量远少于可观测宇宙中的粒子数量,相差约30个数量级。因此,似乎一目了然,生物学的任何贡献肯定是微不足道的。”

但是他们说事实证明这种思维方式是错误的。他们的核心思想是,为了计算可能的生物状态的数量,我们必须采用一种不同于宇宙中其他状态的方法。正是这种新的计算方法,将明显改变宇宙熵预算的计算方法。

导致这种新的思维方式的线索是,进化过程只选择了所有可能的生物配置中的一小部分。所以我们在地球上看到的蛋白质这样的生物分子,以及它们结合形成复杂生物的方式,只是所有可能状态的一小部分。

此外,随着时间的推移,随着可以组合在一起的组件变得更加复杂,可能的配置数量将会增加。起初,生物分子由多达六种不同的元素—— C、H、N、O、P和S组成,它们可以形成各种复杂的有机分子。

这种结合过程与物理学家通常认为的由物理定律支配的过程有着本质的不同。这些物理定律对什么样的状态可以形成,什么样的状态不可以形成设置了重要的限制。

相比之下,不存在阻止某些配置出现的“生物法则”。事实上,它们的任何配置都可以出现。这就是为什么生物配置空间如此巨大且不断扩大的原因。

利用这种思维,研究人员计算出大约38亿年前地球上首次出现生命时,生物构型空间的潜在状态为10到10到237。

研究小组得出结论,换句话说,“生物圈的拓扑空间所包含的微观状态的数量,比整个宇宙中存在的所有构型状态的数量都要多”。

这是一项非凡的研究成就,因为它将生物学置于宇宙学的基础之上。研究团队表示:“这项研究成果意义深远。它将为未来的研究打开各种新的思路,开辟一个新的科学领域,我们称之为生物宇宙学。特别是生命信息内容和宇宙信息内容之间的关系,可能需要从零开始重建。”


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