生命為什麼存在？物理學家怎麼看？只不過是熵增的結果而已

生命為什麼存在？

傳統的生命起源學說認為地球生命起源於原始湯、閃電和有毒的大氣，是複雜的生物化學反應的結果。

但是在物理學家看來，生命的出現只不過是

熱力學第二定律作用的結果，生命的起源和隨後的進化只是遵循基本的自然規律。生命的出現就像是將一個球體放在光滑的斜板上，球體自然而然地滾下斜板一樣不足為奇。

從物理學的角度來看，生物和無生命的碳原子團之間有一個本質的區別：有機生命體往往更善於從環境中捕獲能量，並將能量轉化為熱量消散。

傑里米·英格蘭（Jeremy England）

31歲的麻省理工助理教授傑里米·英格蘭（Jeremy England）提出一個數學公式，他認為生命的出現可以用這個公式解決。公式基於既定的物理學，

當一組原子被外部能量源（如太陽或化學燃料）驅動，並被複雜環境（海洋或大氣）包圍時，它們通常會逐漸重組自己，以消耗過多的能量。

這可能意味著，在某些條件下，物質必然地獲得與生命相關的關鍵物理屬性。

換句話說就是，如果你用光照射隨機的原子團足夠長的時間，得到一種植物應該不會令人驚訝！

苔蘚細胞葉綠體

傑里米打算用物理法則來解釋生命起源和進化而不是取代達爾文的進化論，從物理學的角度來看，達爾文進化只是更普遍現象的特殊情況，而且這個理論對生物基因和種群層次進行了有力的描述。

當然這個天馬行空的想法也引發爭議，提出這個理論的人不是天才，就是瘋子！

有科學家認為認為：這是非常勇敢和非常重要的一步，如果這是真的，將是推動生命起源和進化的基本物理原理。但也有科學家打趣道：想法很有趣，很有前途，但僅是形而上的空中樓閣。

分子自發地組成大分子團

傑里米理論的核心思想是熱力學第二定理，也被稱為熵增定律，即系統的能量往往隨著時間的推進會變得混亂和分散。

當系統中的粒子四處移動和相互作用時，它們會自發地傾向於採用能量分散的方式運動。最終，系統達到一種稱為“熱力學平衡”的最大熵狀態，能量在這種狀態中均勻分佈。

例如，一杯熱水的最終溫度會和它所在環境的溫度一致。

雖然熵在孤立或“封閉”的系統中隨著時間的推移而增加，但“開放”系統可以透過大幅增加周圍環境的熵來保持平衡，即在原子之間不均勻地分配能量。著名量子物理學家歐文·施呂丁格在1944年的專著《什麼是生命？》中指出，生命體必須這麼做。植物從太陽獲取能量，製造糖分，並輻射紅外線。雖然宇宙的整體熵在光合作用過程中增加，但是植物透過維持有序的內部結構來防止自身衰變。

生命體並不違反熱力學的第二規律，但物理學家還無法用熱力學來解釋為什麼生命會出現。20世紀初，物理學家只能解決封閉系統中的熱力學的問題。

20世紀60年代，比利時物理學家伊利亞·普里戈金在預測外部能源微弱驅動的開放系統的行為方面取得進展，獲得1977年諾貝爾化學獎。

20世紀90年代，克里斯·賈津斯基（現為馬里蘭大學）表示熱力學過程產生的熵，如一杯熱水的冷卻，可以用一個簡單的比率量化：原子經歷這個過程的機率除以它們經歷反向過程的機率（即自發相互作用的方式使咖啡升溫）。隨著熵的增加，這個比例也隨之增加，系統變得越來越“不可逆轉”。這個簡單而嚴謹的比率公式原則上可以應用於任何熱力學過程，無論系統熵增速度有多快或離平衡有多遠。

根據賈津斯基的公式，

傑里米將

熱力學第二定律應用於某些特定的粒子系統，這些系統由電磁波或其他外部能量源強烈驅動，能量源將能量注入原始湯。湯中粒子在與驅動力產生共鳴時往往會消耗更多的能量，或者推動粒子向更穩定的方向發展。

這意味著在某些環境條件下，被原始湯包圍的成群原子或分子團，應該隨著時間的推移，傾向於地自發消耗能量與環境變得更和諧，更穩定！

自我複製（從生物學角度來說，是推動地球生命進化的過程），是一個系統可能隨著時間推移消耗能量的機制之一。

傑里米

認為，消散系統多餘能量的一個好方法就是更多地自我複製。

原始湯的化學成分、隨機突變、環境變化、生物滅絕和無數其他因素促成了地球動植物多樣。但根據

傑里米

的理論，推動整個進化過程的基本原則是物質的能量消散驅動系統。

自我複製球形叢集：根據哈佛大學的最新研究，塗層微球表面會導致它們自發地組裝成選定的結構。

自我複製原則也適用於無生命的物質，科學家已經觀察到非生命系統的自我複製。例如，湍流液體中的渦流透過從周圍流體的剪下中提取能量來自發地自我複製。科學家也發現一些具有特殊塗層的微球團透過將附近的球體旋轉成形成相同的星團來消散能量。

除了自我複製之外，更大的結構組織是另一種驅動系統提高能量消散能力的方法。

例如，與無機碳原子堆相比，植物更善於捕捉和引導太陽能量來塑造自身。

因此，認為，在某些情況下，物質會自發地自我組織，這可以解釋生物的內部秩序和許多無機結構體

。例如雪花、沙丘和湍流漩渦都有一個共同點，它們消耗能量，創造特殊圖案結構。

因此，生物和非生物物質之間的區別並不明顯，生命體也不過是一堆化學反應的集合體而已。

傑里米

目前正在進行計算機模擬計算，測試他的理論，透過粒子系統如何更好地消耗能量調整其結構，以及如何應用於生物界。

許多研究人員說，這個理論將使研究人員對生命體結構和功能的產生有更廣闊的視野，它可能會進一步解放生物學家，不再為生物每一種器官功能尋求一種達爾文進化地解釋。例如，生物學家可能會發現，生物體顯示特徵X而不是Y的原因可能不是因為X比Y更合適，而是因為物理法則地約束使得X比Y更容易進化。

（注：盡了最大的努力能讓人讀懂，有能力建議看原文）

參考文獻：

https：//www。quantamagazine。org/a-new-thermodynamics-theory-of-the-origin-of-life-20140122/