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“想象一種語(yǔ)言就像想象一種形式的生命≈阑铮”
- 路德維希.維特根斯坦是己，《哲學(xué)研究》
當(dāng)今世界人們使用大約6,800種不同的語(yǔ)言。不是每個(gè)詞都能在不同的語(yǔ)言之間完美地翻譯任柜，意義有時(shí)會(huì)落入語(yǔ)義的裂縫卒废。 例如，日語(yǔ)詞wabi-sabi（侘寂宙地，或殘缺之美）沒(méi)有對(duì)應(yīng)的英語(yǔ)單詞摔认；同理還有德語(yǔ)詞 Waldeinsamkeit（在樹(shù)林里獨(dú)處之孤寂感）。
不同的科學(xué)領(lǐng)域也是語(yǔ)言宅粥，科學(xué)解釋有時(shí)只是翻譯参袱。例如，“紅色”是“620-750納米波長(zhǎng)”的翻譯秽梅∧ㄊ矗“溫度”是“一組粒子的平均速度”的翻譯。翻譯越復(fù)雜企垦，其賦予的意義越多 环壤。“引力”是指“時(shí)空的幾何”钞诡。
那么生命呢郑现？ 我們一看到生物就知道什么是生命。達(dá)爾文的理論甚至解釋了一種生命形式是如何演化成另一種形式的荧降。但是接箫，知更鳥(niǎo)和巖石之間的區(qū)別到底是什么？?jī)烧卟皇嵌挤耐瑯拥奈锢硪?guī)律嗎朵诫？ 換句話說(shuō)辛友，用物理學(xué)的語(yǔ)言如何翻譯“生命”？有些人認(rèn)為剪返，這個(gè)詞是不可譯的废累。 但也許它只是需要正確的譯者，例如Jeremy England随夸，34歲的麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授九默。
Jeremy England創(chuàng)立了一種稱為“耗散適應(yīng)”的新理論驼修，據(jù)稱有助于解釋復(fù)雜的殿遂、類生命的功能如何能夠從簡(jiǎn)單、甚至無(wú)生命的物質(zhì)中自組織和涌現(xiàn)乙各。 這一理論為England贏得了一個(gè)不受歡迎的綽號(hào)：下一個(gè)達(dá)爾文墨礁。
“我認(rèn)為觀察分子是如何實(shí)現(xiàn)功能是非常奇妙的，”Jeremy說(shuō)耳峦。 我們來(lái)看看DNA聚合酶恩静。在生物學(xué)里，其功能是將核苷酸組合成新的DNA分子蹲坷，而核苷酸是由堿基驶乾、糖和磷酸組成的。 “當(dāng)你了解這個(gè)過(guò)程時(shí)循签，會(huì)覺(jué)得一切似乎都很有意義级乐，參與者似乎正在合力實(shí)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)∠亟常”England說(shuō)风科。“然而乞旦，這些東西與無(wú)機(jī)物幾乎沒(méi)什么區(qū)別贼穆。 你把它們打碎成更小的片段看看，它們只會(huì)旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)兰粉。
England在哈佛大學(xué)讀本科時(shí)故痊，與生物物理學(xué)家Eugen Shakhnovich合作研究蛋白質(zhì)折疊。每個(gè)蛋白質(zhì)由相同的20個(gè)氨基酸組成亲桦。 然而崖蜜，一旦被折疊成形浊仆，每個(gè)蛋白質(zhì)就開(kāi)始執(zhí)行生命所需的特定功能客峭。 “氨基酸不會(huì)給你寫(xiě)十四行詩(shī)，”英格蘭說(shuō)抡柿。 “但是當(dāng)你把幾百個(gè)字符串在一起舔琅，突然你就得到了一臺(tái)似乎有特定的目的的機(jī)器。
維特根斯坦認(rèn)為洲劣，一個(gè)詞的含義取決于它的上下文备蚓，上下文由使用它的人決定。
這些茫然轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪囱稽，不知何故就出現(xiàn)了目的郊尝。單個(gè)組件看起來(lái)都服從基本的物理學(xué)規(guī)律，但合在一起后就產(chǎn)生了功能战惊。在物理世界里流昏，似乎沒(méi)有功能這種東西：時(shí)間和空間就是時(shí)間和空間，不是為了任何明確的理由而存在。而在生物學(xué)中况凉，系統(tǒng)是為行動(dòng)而生的谚鄙， 它們會(huì)移動(dòng)、催化和合成刁绒∶朴“功能”將生命與非生命區(qū)分開(kāi)來(lái)；這個(gè)單詞是只被我們用來(lái)形容有生命之物知市，還是有其他的內(nèi)涵傻盟？England在2014年瑞典的卡羅林斯卡學(xué)院的演講中告訴聽(tīng)眾，物理學(xué)沒(méi)有區(qū)分生命與非生命嫂丙， 但生物學(xué)卻有區(qū)分莫杈。
在獲得博士后，England是普林斯頓大學(xué)的研究員奢入，他有時(shí)會(huì)開(kāi)車到紐約去找學(xué)哲學(xué)的發(fā)小玩筝闹。朋友會(huì)把England帶到熟悉的下東區(qū)，與他長(zhǎng)時(shí)間的談?wù)撜軐W(xué)家路德維闲裙猓·維特根斯坦关顷。
維特根斯坦在挪威的森林中獨(dú)自生活過(guò)一段時(shí)間——所謂的Waldeinsamkeit，在這里他研究了所謂的“語(yǔ)言游戲”武福，即一套關(guān)于溝通的公約议双。一些哲學(xué)家認(rèn)為，一個(gè)詞的含義系于外部世界的實(shí)體捉片。然而平痰，維特根斯坦認(rèn)為，一個(gè)詞的意義取決于由使用者決定的的上下文伍纫。玩語(yǔ)言游戲就像用密碼說(shuō)話 ——如果對(duì)話的兩個(gè)人都非常了解他們所參與的活動(dòng)場(chǎng)景宗雇，他們可以用更少、更簡(jiǎn)單的單詞來(lái)交流莹规。不同群體的人——音樂(lè)家赔蒲、政治家、科學(xué)家——都早玩符合各自需求的語(yǔ)言游戲良漱。新的語(yǔ)言游戲不斷涌現(xiàn)舞虱。意義在變遷，詞語(yǔ)隨之變遷母市。
“維特根斯坦的這一想法我在其他地方也有發(fā)現(xiàn)矾兜，例如希伯來(lái)圣經(jīng)的開(kāi)篇，”England說(shuō)患久。
“起初椅寺，神創(chuàng)造天地...” 這里舶沿，希伯來(lái)詞的“創(chuàng)造” 是bara、“天” 是shamayim 配并、“地” 是aretz括荡；但它們的真正意義，England說(shuō)溉旋，只有在下文的語(yǔ)境里才最終浮現(xiàn)畸冲。例如，bara或創(chuàng)造观腊，是給事物命名的過(guò)程邑闲；創(chuàng)世就是創(chuàng)造一種語(yǔ)言游戲。 “神說(shuō)梧油，要有光苫耸，就有了光±茉桑”神通過(guò)說(shuō)出光的名字創(chuàng)造了光褪子。 “我們對(duì)這句話太熟悉了，以至于當(dāng)我們真正開(kāi)始思考這句話的時(shí)候骗村，很容易忽略它最簡(jiǎn)單的含義嫌褪，”England說(shuō)。 “我們這樣稱呼光胚股，才有了讓我們看見(jiàn)這個(gè)世界的光笼痛。” England認(rèn)為琅拌，如果你想用物理語(yǔ)言來(lái)描述生物學(xué)缨伊，這是非常重要的一點(diǎn)。
作為麻省理工學(xué)院的年輕教員进宝，England 既不想停止研究生物學(xué)刻坊，也不打算放棄思考理論物理學(xué)。 “這兩件事使用的語(yǔ)言完全不同即彪，如果你兩個(gè)都不想放棄紧唱，你就必須得去翻譯活尊×バ＃” England說(shuō)。
在猶太傳統(tǒng)中蛹锰，“奇跡”不一定是違背自然規(guī)律的深胳。奇跡沒(méi)有那么宏偉——相反，奇跡是一種以前被認(rèn)為是不可想象的現(xiàn)象铜犬。見(jiàn)證奇跡者需要重新定義之前的假設(shè)來(lái)化解矛盾舞终，他們必須開(kāi)始用新的角度審視這個(gè)世界轻庆。
對(duì)于精通統(tǒng)計(jì)力學(xué)的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，生命就是這樣一個(gè)奇跡敛劝。 熱力學(xué)第二定律表明余爆，對(duì)于封閉系統(tǒng)——如箱中的氣體或整個(gè)宇宙——混亂度會(huì)隨時(shí)間增加。 雪會(huì)融化成一灘水夸盟，但一灘水不會(huì)自發(fā)的變成雪花的形狀蛾方。如果你真的看到一灘水變成了雪花，你肯定以為你正在看一場(chǎng)電影的回放上陕，如同時(shí)間倒流一樣桩砰。在熱力學(xué)第二定律下，大量粒子的群體行為具有不可逆性释簿，所以我們才會(huì)有“過(guò)去”亚隅、“現(xiàn)在”和“未來(lái)”這樣的詞匯。
時(shí)間的箭頭總是指向無(wú)序的方向庶溶。然而煮纵，生命的箭頭卻指向相反的方向。簡(jiǎn)單無(wú)聊的種子成長(zhǎng)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的花偏螺，從無(wú)生命的地球中生長(zhǎng)出茂密的叢林醉途。為什么掌控著“生命”原子的規(guī)則與掌控宇宙中其他原子的規(guī)則有如此巨大的差異呢？
1944年砖茸，物理學(xué)家薛定諤在其著作《生命是什么隘擎？》(What is Life?)中試圖解釋這個(gè)問(wèn)題。他意識(shí)到凉夯，箱子里的氣體是封閉系統(tǒng)货葬，而生命體是開(kāi)放系統(tǒng)。也就是說(shuō)劲够，生命體允許自身和周邊環(huán)境之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)化震桶。生命在維持內(nèi)部秩序的同時(shí)將熱量釋放到環(huán)境中，這樣宇宙的熵整體增加了征绎，熱力學(xué)第二定律仍然成立蹲姐。
蛋白質(zhì)和酶這類物質(zhì)比我們想象的更容易出現(xiàn)
與此同時(shí)，薛定諤發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)謎團(tuán)人柿。他認(rèn)為柴墩，產(chǎn)生時(shí)間箭頭的機(jī)制與產(chǎn)生生命之箭的機(jī)制截然不同。時(shí)間的箭頭來(lái)自大樣本的統(tǒng)計(jì)——當(dāng)你有足夠多混亂無(wú)序的原子時(shí)凫岖，無(wú)序的組合總是比有序的組合多很多江咳，因此它們產(chǎn)生有序狀態(tài)的機(jī)會(huì)是零。但對(duì)生命而言哥放，即使在微觀的尺度歼指，秩序和不可逆性仍然存在爹土，組成生命的原子數(shù)量要少得多。在這個(gè)數(shù)量級(jí)上踩身，原子的數(shù)量不夠大胀茵，遠(yuǎn)不足在統(tǒng)計(jì)上形成如熱力學(xué)第二定律這樣的規(guī)律。例如挟阻，生命的基本組成單位宰掉、RNA和DNA的構(gòu)成單位——核苷酸，僅由30個(gè)原子組成赁濒。 盡管如此轨奄，薛定諤發(fā)現(xiàn)，遺傳密碼的保存能力好得不可思議拒炎，有時(shí)能延續(xù)百萬(wàn)世代挪拟，“其持久力已經(jīng)近乎奇跡”。
那么基因如何抗衰減击你？ 脆弱的分子為何不會(huì)土崩瓦解玉组？這其中一定有比統(tǒng)計(jì)更深?yuàn)W的原理在發(fā)揮作用，使得少量的原子能夠不可逆轉(zhuǎn)的自發(fā)啟動(dòng)丁侄，成為鮮活的生命惯雳。
薛定諤之后半個(gè)世紀(jì)，英國(guó)化學(xué)家Gavin Crooks第一次用數(shù)學(xué)描述了微觀不可逆性鸿摇。Crooks于1999年發(fā)布的一個(gè)公式說(shuō)明石景，由外部能量驅(qū)動(dòng)的小型開(kāi)放系統(tǒng)只要不斷耗散自身能量，就能發(fā)生不可逆的改變拙吉。
想象你站在一道柵欄前面潮孽。你想去另一邊，但柵欄太高跳不過(guò)去筷黔。一個(gè)朋友遞給你一個(gè)彈簧高蹺往史，你可以用它跳過(guò)去然后再跳回來(lái)。彈簧高蹺這樣的外部能量源能讓你產(chǎn)生可逆的變化佛舱。
再想象下椎例，這次你的朋友給你一個(gè)噴氣背包而不是彈簧高蹺。你點(diǎn)燃噴氣背包越過(guò)柵欄请祖。當(dāng)你越過(guò)柵欄時(shí)订歪，噴氣背包將消耗燃料并將能量釋放到周圍的空氣里，因此當(dāng)你著陸時(shí)损拢，你的噴氣背包已沒(méi)有足夠的能量讓你越過(guò)柵欄回到原地陌粹。你只能留在柵欄的另一邊，你的變化是不可逆的福压。
Crooks表明掏秩，一組原子可以通過(guò)外部能量改變自身的構(gòu)造——就像跳過(guò)柵欄一樣。如果原子在變化的同時(shí)耗散能量荆姆，則變化可能是不可逆的蒙幻。他們可以利用下一次能量爆發(fā)轉(zhuǎn)變回來(lái)，但有時(shí)也會(huì)轉(zhuǎn)變到一個(gè)全新的狀態(tài)胆筒，就這樣通過(guò)能量耗散進(jìn)行一步又一步的轉(zhuǎn)變邮破。能量耗散不能確保不可逆性，但不可逆性一定有能量耗散仆救。
Crooks的結(jié)論具有普適性抒和，適用于任何離開(kāi)平衡態(tài)的系統(tǒng)，包括生命體彤蔽。不過(guò)摧莽，England認(rèn)為，“對(duì)于大而雜亂顿痪、有大量能量耗散的多體系統(tǒng)而言镊辕，結(jié)論可能需要更加謹(jǐn)慎。結(jié)論似乎沒(méi)錯(cuò)蚁袭，但計(jì)算上可能很難操作征懈。” 2013年在加州理工學(xué)院演講期間揩悄，England在酒店房間里不斷演算Crooks的公式卖哎。從Crooks公式可以推導(dǎo)出，要獲得生命標(biāo)志性的不可逆性删性，系統(tǒng)必須有特別好的吸熱和散熱能力棉饶。但England知道事實(shí)不止于此。
“這就像一直在原點(diǎn)附近打轉(zhuǎn)镇匀，”他說(shuō)照藻。 “有時(shí)候我把問(wèn)題放下去睡覺(jué)，就能想到不同的東西汗侵。當(dāng)你回來(lái)的時(shí)候幸缕，會(huì)發(fā)現(xiàn)墻上多了一個(gè)缺口∥希”
England終于想到了答案发乔。 在能量源一定的情況下，原子的一些特定排列能比其他排列更好的吸收和消耗能量雪猪，因此更容易完成不可逆的轉(zhuǎn)變栏尚。隨著時(shí)間流逝，如果一些系統(tǒng)變得特別適合這一過(guò)程只恨，這一系列不可逆的轉(zhuǎn)變就會(huì)變成一種獨(dú)立運(yùn)作的合成作用译仗。England動(dòng)筆寫(xiě)下一個(gè)考慮了系統(tǒng)的耗散歷史的熱力學(xué)第二定律推廣式抬虽，他認(rèn)為這解釋了生命結(jié)構(gòu)和功能的起源。在去年年底的一篇文章中纵菌，他這樣解釋道：
雖然系統(tǒng)的變化大多是隨機(jī)的阐污，但最持久、不可逆的改變都發(fā)生在系統(tǒng)正好能較好的吸收和耗散能量時(shí)咱圆。隨著時(shí)間的推移笛辟，系統(tǒng)優(yōu)先“記住”了這些相對(duì)不可逆的變化，于是系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越多的采用類似于歷史上發(fā)生耗散時(shí)的構(gòu)型序苏。如果我們回顧這種非平衡過(guò)程手幢，會(huì)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)似乎自我組織成一種“適應(yīng)”環(huán)境條件的狀態(tài)。這種現(xiàn)象就是耗散適應(yīng)忱详。
當(dāng)然围来，原子系統(tǒng)并不是有目的性的——它只是盲目、隨機(jī)的不斷調(diào)整踱阿。在從一種形態(tài)變化到另一種形態(tài)的過(guò)程中原子系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列的化學(xué)變化并最終自發(fā)組織成某種形態(tài)管钳，這看起來(lái)就是“適應(yīng)”。維特根斯坦說(shuō)：“語(yǔ)言是一座路徑的迷宮软舌〔牌幔”對(duì)England來(lái)說(shuō)，這次的翻譯似乎是正確的佛点。在物理學(xué)的語(yǔ)言中醇滥，“生命”是什么？England稱之為“耗散適應(yīng)”超营。
盡管耗散適應(yīng)讓我們聽(tīng)起來(lái)像一座座太陽(yáng)的冷卻塔鸳玩，但這一理論的內(nèi)涵遠(yuǎn)不止于此。達(dá)爾文式自然選擇變成了廣義的耗散適應(yīng)現(xiàn)象的一個(gè)特例演闭，如同一種語(yǔ)言中的方言不跟。耗散適應(yīng)發(fā)生在微觀尺度上，自然選擇則發(fā)生在宏觀世界的自我復(fù)制器中米碰，而自我復(fù)制是消耗和耗散能量的絕佳方式窝革。在耗散適應(yīng)的語(yǔ)言中，“適應(yīng)度”(fitness)一詞有了新的意義吕座。Northeastern大學(xué)物理學(xué)助理教授Meni Wanunu認(rèn)為：“在耗散適應(yīng)中虐译，適應(yīng)度并不是根據(jù)一系列最優(yōu)功能來(lái)定義的，而是系統(tǒng)與環(huán)境中可用能量的”給予和接受“關(guān)系吴趴。系統(tǒng)消耗能量并沿著不可逆的方向漂移漆诽，因之而變得“特殊”，但并非是完美或理想的形態(tài)。 “鳥(niǎo)類并不是飛行的最佳選擇厢拭，”England說(shuō)兰英，“但就飛行而言，鳥(niǎo)類比石頭或蠕蟲(chóng)強(qiáng)多了蚪腐〖牵”
這一理論使我們不得不重新思考使生命變得如此特別的那些不尋常的功能税朴。在不借助外界強(qiáng)力作用的前提下回季，復(fù)雜的功能從相互間只有微弱作用的粒子集合中涌現(xiàn)，這一過(guò)程現(xiàn)在可以分解成由外部驅(qū)動(dòng)的一系列小型不可逆變化正林。蛋白質(zhì)和酶這類物質(zhì)比我們想象的更容易出現(xiàn)泡一。 “我們可能并不需要從億萬(wàn)個(gè)自我復(fù)制的氨基酸序列中精確的挑出候選者，” England說(shuō)觅廓。 “自組織的時(shí)間尺度可能比我們想象的更快鼻忠。如果我們能夠說(shuō)服自己，生命的起源看起來(lái)更像一段斜坡或樓梯杈绸，大量的微小變化將其引向正確的方向帖蔓，那么這至少可能完全改變我們思考生命起源場(chǎng)景的方向⊥В”
該理論不僅幫助我們回顧過(guò)去塑娇，還能帶來(lái)新的設(shè)計(jì)和工程學(xué)方法〗俨啵“如果只是想模仿生命體做的某件事情埋酬，而非模擬生命體本身，要做的事情可能要少很多烧栋⌒赐祝”一個(gè)可能的例子是England實(shí)驗(yàn)室正在研究的“突現(xiàn)計(jì)算”(emergent computation)，其目標(biāo)是在不接收任何設(shè)計(jì)指令的情況下审姓，使粒子系統(tǒng)演化出預(yù)測(cè)自身環(huán)境變化的能力珍特。畢竟在波動(dòng)的環(huán)境中良好地吸收和耗散能量需要一定程度的預(yù)測(cè)能力。England認(rèn)為：“如果我們能成功地做到這一點(diǎn)魔吐，那么意味著系統(tǒng)中的粒子以某種方式進(jìn)行了交互扎筒，能夠根據(jù)過(guò)去的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有效實(shí)施關(guān)于未來(lái)的計(jì)算。這可能會(huì)影響基于預(yù)測(cè)能力的技術(shù)画畅，從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到預(yù)測(cè)機(jī)票價(jià)格的程序砸琅。
這就是翻譯的神奇力量。如果實(shí)驗(yàn)?zāi)艹晒χ狨猓瑢⑹呛纳⑦m應(yīng)理論的最好證明症脂。Wanunu對(duì)此仍持保留態(tài)度：“England提出了一套新的想法，但還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證∮张瘢“哈佛大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)副教授 Jeremy Gunawardena也不是完全認(rèn)同這一理論：“Jeremy希望避開(kāi)化學(xué)壶唤，將生命的涌現(xiàn)完全看成一種物理必然。我并不信服棕所。不過(guò)闸盔，我高興看到他在試圖解決這個(gè)問(wèn)題，我相信我們會(huì)從中學(xué)到很多有趣的東西琳省∮常”
這么說(shuō)是公平的。畢竟针贬，按照Umberto Eco的說(shuō)法击费，“翻譯是失敗的藝術(shù)”。這次全新的翻譯是否會(huì)失敗仍未可知桦他。最終蔫巩，可能不會(huì)只有一種語(yǔ)言能表達(dá)生命的復(fù)雜性，England只是希望我們嘗試一種新的語(yǔ)言快压。 在去年的《評(píng)論》雜志中他這樣寫(xiě)道：“描述這個(gè)世界的語(yǔ)言不止一種圆仔，上帝希望人們掌握所有的這些語(yǔ)言∧枇樱”
