文章图片
生命是如何开始的？我们可以在早期地球的化学或第一个细胞的生物学中寻找答案 。 但我们知道化学和生物学是应用物理
熵与生命要了解生命 ， 我们需要了解熵 。 构成任何系统的粒子都具有某种程度的随机运动 ， 这种随机运动往往会推动系统朝着最常见的粒子排列方向发展 。 这种随机无序、非特殊的排列是一种高熵状态 ， 而高度特定的配置是低熵状态 ， 它们几乎不会偶然发生 。 所以熵在某种程度上是衡量一个系统粒子排列的普遍性 。
热力学第二定律告诉我们 ， 封闭系统只会增加熵 。 但是有一种系统似乎可以抵抗热力学第二定律 ， 并保持低熵 ， 那个系统就是生命 。 生命的内部熵非常低 ， 因为它的结构极其特殊且非随机 ， 即使是单个细胞的机制也是如此 。 这种情况似乎与热力学定律相矛盾 ， 熵似乎保持不变或减少 。 但是让我们明确一点 ， 它并没有违反
【生命只能用生物学来理解吗？从物理学角度探讨生命的起源和本质】生命通过增加周围环境的熵来降低自身内部的熵 。 玻尔兹曼首先指出了这一点 ， 他将生命描述为与熵的斗争 。 薛定谔在他1944年的著作《生命是什么》中 ， 将生命描述为一个以负熵为食的过程 。 生命吸收了秩序 ， 并将混乱喷射到周围环境中 。
能量流动与生命另一种说法是生命以能量梯度为食 ， 当两个具有不同能量密度的系统接触时 ， 能量必须流动 ， 生命以这种流动为食 。 事实上 ， 能量梯度对生命的重要性可以帮助我们了解生命的真正起源及其前身 。
地球上生命的起源尚不清楚 ， 我们认为它始于一种类似于RNA的自我复制分子 。 在这种东西合成之后 ， 进化开始了 ， 第一个原始细胞开始出现 。 但是这一切发生在地球的什么地方呢？有几种假设 ， 也许它在潮汐池或深海热液喷口周围 ， 甚至在地球冰盖的下表面 。 这些环境共享一个关键属性 ， 它们处于一个持续的能量梯度中 ， 例如在海底热液喷口 ， 来自地球内部的灼热物质与海底深处寒冷的水相遇 。
这些地方都在努力恢复平衡 ， 这些系统通过尽可能均匀和随机地重新分配它们的能量 ， 尽最大努力遵守热力学第二定律 。 热能从温度高的流向温度低的 ， 以寻求均匀的温度 ， 但能量也分散成符合物理定律的各种形式 。 当简单分子通过每一个化学反应形成时 ， 一些能量被分配到简单
通常 ， 当系统达到热平衡时 ， 这种局部复杂性的上升将会停止 。 这时能量分布基本完全均匀 ， 新分子的分裂频率也和它们的形成频率相同 。 但是 ， 当我们的能源流入一个更大的水库时（例如海洋） ， 能量平衡永远不会达到平衡 。 系统会努力重新分配无穷无尽的能量梯度 ， 复杂性会无限增加 。
在某些时候 ， 自然界开始进行介入 。 分子自催化有助于推动产生更多相同的反应 ， 在这个过程中表现得更好的分子变得更加丰富 ， 并且在某些时候 ， 它们成为真正的自我复制者 ， 最终成为生命 。 生物非常擅长耗散能量 ， 更一般地说 ， 自我复制系统可能是所有能量耗散器中最好的 。 事实上 ， 这是麻省理工学院生物物理学家杰里米·英格兰提出的一个新想法 ， 他在数学上证明了自我复制的分子和单细胞生命在繁殖过程中非常擅长散热 。
推荐阅读
- 在地球畅游了四亿年的鲨鱼，竟会被人类催眠？
- 机器学习模型需要预测对人类、动物和环境的潜在不利生物学影响
- 大象鼻子就是生物学上的一个奇迹，还有什么是它做不到的？
- 研究丨干细胞调节股骨头坏死前景不可估量
- 为什么蜜蜂的针会进化成连着肠子？其生物学意义是什么？
- 人类由鱼进化而来，有化石为证，从鱼到人是何进化过程？
- 日本最强生物学研究科攻略
- 人类理论上能活1000岁，那余下的900多岁，为啥无故“消失”了？
- 为何量子力学认为：-273.15℃，我们永远无法达到的低温极限？