思考生命復雜性的新視角
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編者按：復雜的生命如何從化學中產生？科學家如何辨識地球以外的生物生命跡象？組裝理論提出了一種辨識生命系統分子的方法，並可能為復雜性的產生和演化帶來全新視角。文章來自轉譯，希望能對你有所啟示。
本故事的原始版本刊登在【量子雜誌】上。
如果其他星球上存在生命的話，可能與地球生命非常不同，以至於我們可能認不出它產生的任何生物特征。我們不能保證外星生物會使用與地球上相同的化學物質，以及諸如DNA和蛋白質熟悉的構建塊。科學家甚至能發現這種生命形式的特征，而並不清楚它們是生物學的產物。
這個問題遠非假設。今年4月，歐洲航天局的Juice航天器從法屬圭亞那發射升空，前往木星及其衛星。其中一顆衛星，木衛二(Europa)，在其冰凍的外殼下有一個深邃的富鹽水海洋，是太陽系中最有希望尋找外星生命的地方之一。明年，美國太空總署的歐羅巴快艇(Europa Clipper)將發射升空，目標也是尋找木衛二衛星的生命跡象。這兩個航天器上都有機載儀器，可以尋找復雜有機分子的指紋，這可能是冰層下生命跡象存在的一些蛛絲馬跡。2027年，NASA計劃發射一架名為「蜻蜓」的無人駕駛直升機，飛越土星衛星土衛六（泰坦）的表面。土衛六是一個朦朧、富含碳及有機物的世界，有液態碳氫化合物湖泊，可能正好適合孕育生命，但不是我們認知中的生命。
自 20 世紀 70 年代科學家們首次嘗試利用「維京號」登陸器尋找火星生物跡象以來，這些任務和其他即將展開的任務將面臨同樣的障礙，這個障礙一直困擾著他們：沒有明確發現外星生命跡象。
這種情況可能即將改變。2021 年，蘇格蘭格拉斯哥大學的李·克羅寧（Lee Cronin）和亞利桑那州立大學的莎拉東·沃克（Sara Walker）領導的研究小組提出了一種非常通用的方法來辨識生命系統制造的分子，即使是那些使用陌生的化學物質分子。他們說，他們的方法只是假設外星生命形式會產生與地球生命具有相似化學復雜性的分子。
這一策略所依據的思想被稱為組裝理論，其目標更為遠大。正如最近一系列出版物所闡述的那樣，它試圖解釋為什麽像你我這樣看似不可能存在的東西會存在。它所尋求的解釋，並不是物理學中永恒的物理定律，而是一個賦予物體歷史和記憶的過程。它甚至試圖回答一個困惑了科學家和哲學家幾千年的問題：生命到底是什麽？
毫不奇怪，這樣一個雄心勃勃的專案會引起懷疑。它的支持者尚未明確說明如何在實驗室中對其進行測試。一些科學家懷疑，裝配理論是否能夠做到：區分生命與非生命，並以一種新的方式思考其中的復雜性。
但也有人認為，這仍是組裝理論的早期階段，它很有可能為復雜性如何產生和演變提供一種新的視角。「參與其中很有趣，」聖達菲研究所(Santa Fe Institute)所長、前進演化理論家戴維·克拉考爾(David Krakauer)說。他說，「集合理論提供了一種發現物體偶然歷史的方法——這是大多數復雜性理論所忽略的一個問題，它們傾向於關註事物的存在方式，而不是如何形成的。」亞利桑那州立大學的物理學家保羅·戴維斯（Paul Davies）對此表示贊同，稱其為「一個有可能改變我們對復雜性思考方式的新想法」。
論事物的發展順序
克羅寧提出了一個問題：既然不同原子的組合方式多如天文數碼，為什麽大自然能制造出一些分子，而不能制造出另一些分子？根據物理定律，物體是可能的存在的；另一種說法是，從其組成部份也能組裝出一個物體。克羅寧說：「提出組裝理論是為了捕捉我的直覺，即復雜的分子不可能憑空出現。」
與此同時，沃克一直在思考生命的起源，這個問題與制造復雜分子密切相關，因為生物體內的分子過於復雜，不可能偶然組裝起來。沃克想，在達爾文理論出現之前，一定有什麽東西在引導著這一過程。
克羅寧和沃克在2012年參加了美國太空總署的天體生物學研討會後開始聯手合作。「莎拉和我討論了消息理論和生命，以及制造自我復制機器的最小途徑，」克羅寧回憶說。「對我來說，這一點變得非常清楚，我們都一致認為，在生物學出現之前，存在一種缺失的‘驅動力’。」
現在，兩人都認為，組裝理論提供了一種一致的且精確的數學解釋，闡述了事物為何會存在歷史偶然性。例如，為什麽要先有多細胞生命？然後才有人類生命起源？後來因文明和科學的出現才能造成火箭。綜上所述，物體是按照特定的順序出現。
「我們生活在一個遞迴結構的宇宙中，」沃克說。「大多數結構都必須建立在對過去的記憶之上，這些資訊是隨著時間積累起來的。」
這似乎是顯而易見的，但一些關於事物順序的問題卻很難回答。恐龍一定要先於鳥類存在嗎？莫札特一定要先於約翰·科爾特蘭嗎？我們能說哪些分子必然先於DNA和蛋白質存在嗎？
量化復雜性
組合理論提出了一個看似毫無爭議的假設，即復雜物體是由許多簡單物體組合而成的。該理論認為，透過考慮一個物體是如何制造出來的，就可以客觀地衡量它的復雜性。具體做法是，計算從材料中制造物體所需的最少步驟數，這被量化為組裝指數（AI）。
此外，要使一個復雜物體在科學上具有意義，就必須有大量的復雜物體。非常復雜的東西可以透過隨機組裝過程產生，例如，你可以透過將任何舊的胺基酸連線成鏈來制造類似蛋白質的分子。不過，一般來說，這些隨機分子不會做任何有意義的事情，比如像酶一樣發揮作用。而且，以這種方式得到兩個完全相同的分子的機率微乎其微。
然而，在生物體中，功能性酶一次又一次被可靠地制造出來，因為它們不是隨機組裝的，而是來自於跨代遺傳的基因指令。因此，雖然找到一個單一的、高度復雜的分子並不能告訴你它是如何形成的，但找到許多相同的復雜分子是不可能的，除非有某種精心安排的過程——也許是生命在起作用。
克羅寧（Cronin）和沃克（Walker）認為，如果一個分子足夠豐富，足以被檢測到，那麽其組裝指數可以表明它是否由一個有組織的、類似生命的過程產生。這種方法的吸重力在於，它不需要假設分子本身的詳細化學成分，也不需要假設制造分子的類生命實體的化學成分。它忽略化學細節。康奈爾大學(Cornell University)的行星科學家莊拿芬·魯寧(Jonathan Lunine)說，這使得它在我們尋找可能不符合地球生物化學的生命形式時特別有價值，同時他也是一項在土星冰冷的衛星土衛二(Enceladus)上尋找生命的計劃的首席研究員。
盧寧說:「在生命探測任務中，至少需要一種相對不可知的技術。」而且，他補充說，利用已經用於研究行星表面化學的技術來進行組裝理論所要求的測量是可能的，從而來證明使用組裝理論解釋數據是非常可行的。
衡量生命復雜性的指標
我們需要的是一種快速簡便的實驗方法來確定特定分子的組裝指數。利用化學結構數據庫，克羅寧、沃克和他們的同事設計了一種方法來計算制造不同分子結構所需的最小步驟數。他們的結果表明，對於相對較小的分子，組裝指數大致與分子量成正比。但對於更大的分子(比如比小肽大的任何分子)，這種關系就不成立了。
在這些情況下，研究人員發現他們可以使用質譜法（mass spectrometry）來估計組裝指數。美國太空總署的「好奇號」探測器已經使用這種技術來辨識火星表面的化合物，美國太空總署的「卡西尼「號宇宙飛船也使用這種技術來研究土衛二噴發的分子。
質譜法通常將大分子分解成碎片。克羅寧、沃克及其同事發現，在這一過程中，高組裝指數的大分子比低組裝指數的大分子（例如簡單重復的聚合物）會分裂成更復雜的碎片混合物。透過這種方式，研究人員可以根據分子質譜的復雜性可靠地確定組裝指數。
當研究人員測試這項技術時，他們發現由生命系統產生的復雜分子混合物——大腸桿菌培養物、紫杉醇(太平洋紫杉樹的一種代謝產物，具有抗癌特性)、啤酒和酵母細胞等天然產物，其平均組裝指數要明顯高於礦物質或簡單有機物。
這種分析很容易出現假陰性——一些生命系統的產物，如阿德貝格單一麥芽蘇格蘭威士忌，其更低的組裝指數表明來自非生命系統。但也許更重要的是，實驗沒有產生假陽性：非生物系統無法聚集足夠高的組裝指數來冒充生物體。因此，研究人員得出結論，如果在另一個星球上測量到一個帶有高組裝指數的分子樣本，那麽它很可能是由我們可以稱之為生命的實體制造的。
質譜法只適用於能夠接觸到物理樣本的天體生物學搜尋，即登入任務，或者像歐洲航天局的木衛二探測器這樣的軌域飛行器，可以接收和分析從星球表面噴射出來的分子。但克羅寧和他的同事們現在已經證明，他們可以使用其他兩種技術來測量分子組裝指數，並得到一致的結果。其中一種是紅外光譜學，它可以被占士·韋伯（James Webb）太空望遠鏡上的儀器所使用，這些儀器可以遠端測量遙遠世界的化學成分。
這並不是說這些分子檢測方法提供了一個幹凈的觀測指標，可以區分從巖石到爬行動物。劍橋大學的電腦科學家和生物技術專家Hector Zenil指出，格拉斯哥研究小組的所有樣本中，組裝指數最高的物質——根據這種衡量標準可能被認為最具「生物特性」的——不是細菌，而是啤酒。
擺脫決定論的枷鎖
組裝理論預言，像我們這樣的生命體不可能孤立地出現——一些復雜的物體只能與其他物體一起出現。這很有道理，宇宙不可能只產生一個人。為了創造人類，它必須創造我們一大群人。
對於像人類這樣泛稱的具體的、實際的實體，傳統物理學的解釋是有限的。物理學提供了自然法則，並假設特定的結果是特定初始條件的結果。按照這種觀點，我們一定是在宇宙形成的最初時刻就以某種方式被編碼好了。但要讓智人(更不用說你)的出現不可避免，肯定需要極其精細的初始條件。
組裝理論的支持者認為，它可以擺脫這種過度確定的圖景。這裏，初始條件並不重要。相反，制造像我們這樣的特定物體所需要的資訊一開始並不存在，而是在宇宙前進演化的展開過程中積累起來的——它使我們不必把所有的責任都歸咎於一個不可思議的微調大爆炸。沃克說，資訊「在路徑中，而不是在初始條件中」。
克羅寧和沃克並不是唯一試圖解釋觀察現實的關鍵可能不在於普遍規律，而在於一些物體組裝或轉化為另一些物體的方式的科學家。牛津大學的理論物理學家Chiara Marletto和物理學家David Deutsch也有類似的想法。他們將自己的方法稱為建構函式理論（constructor theory） ，該理論考慮哪些類別的變換是可能的，哪些是不可能的，Marletto 認為其「在精神上接近」組裝理論。
「建構函式理論討論的是能夠進行特定變換的任務的集合，」克羅寧說。「它限制滿足物理定律的情況下可能發生的事情。」他說，組裝理論將時間和歷史加入到這個等式中。
為了解釋為什麽有些物體被制造出來而另一些沒有，組裝理論確定了四個不同的「宇宙」的巢狀階層。
在組裝宇宙中，基本構建模組的所有排列都是允許的。在可能的組合中，物理定律限制了這些組合，所以只有一些物體是可行的。然後，偶然組裝宇宙 （Assembly Contingent） 透過挑選出那些實際上可以沿著可能的路徑組裝的物體來削減物理上允許的大量物體。第四個宇宙是觀測組裝宇宙 （Assembly Observed） ，它包括那些組裝過程，這些組裝過程產生了我們實際看到的特定物體。
組裝理論利用圖或相互連線的節點網絡的的數學研究思想，探索所有這些宇宙的結構。沃克說，這是一種「物體優先理論」，組裝理論關註的是實際制造出來的物體，而不是它們的組成部份。」
為了理解組裝過程是如何在這些概念宇宙中運作的，可以考慮達爾文進化論的問題。傳統上，演化是一旦復制分子隨機出現就「立即發生」的事情——這種觀點有可能帶來同義反復的風險，因為它似乎說，一旦可演化的分子存在，前進演化就開始了。相反，構造理論和組裝理論的支持者都在尋求「根植於物理學前進演化的定量理解」，Marletto說。
根據組裝理論，在達爾文演化論之前，某些東西必須從組裝可能宇宙中選擇高組裝指數物件的多個副本。克羅寧說，透過將相對復雜的分子縮小到一個小子集，化學本身就可以做到這一點。普通的化學反應已經從所有可能的排列中「選擇」了某些產物，因為它們的反應速度更快。
因此，益生元環境中的特定條件，如溫度或催化礦物表面，可能已經開始從可能的集合中篩選出生命的分子前體。根據組裝理論，這些益生元偏好將被「記住」：這些分子編碼了自己的歷史。一旦達爾文選擇論占據上風，它就會傾向於那些能夠更好地自我復制的物體。在這個過程中，這種對歷史的編碼變得更加強烈。這就是為什麽科學家可以利用蛋白質和DNA的分子結構來推斷生物體的前進演化關系。
因此，組裝理論「提供了一個跨越物理學和生物學的統一框架來描述自然選擇，」克羅寧、沃克和同事們寫道。「一個物體被組裝的步驟越多，它就需要越多的自然選擇才能形成。」
「我們正試圖建立一個理論來解釋生命是如何從化學中產生的，」克羅寧說，「並以一種嚴格的、經驗可驗證的方式來做這件事。」
超越所有度量方法?
Krakauer認為，組裝理論和建構函式理論都為思考復雜物體如何形成提供了新思路。「這些理論更像是望遠鏡，而不是化學實驗室，」他說。「它們讓我們看到事物，而不是創造東西。這根本不是一件壞事，而且可能會非常強大。」
但他警告說，「就像所有的科學一樣，只有試驗之後才能夠判定是否成功。」
與此同時，Zenil認為，考慮到諸如柯氏復雜度 （Kolmogorov complexity） 等相當多的復雜性指標，組裝理論只不過是重造輪子。對此 Marletto不同意。她說:「有幾種衡量復雜性的方法，每一種都體現了不同的復雜性概念。」但她說，這些度量標準中的大多數都與現實世界過程無關。例如，柯爾莫哥洛夫復雜性假設有一種器材可以將物理定律允許的任何東西組合在一起。這種度量適合於「可能組裝宇宙」的度量，但不一定適合「觀測組裝宇宙」。相反，組裝理論是「一種很有前景的方法，因為它側重於是可操作定義的物理特性，而不是抽象的復雜性概念。」
克羅寧說，以前的這些雜性測量方法缺少的是對復雜物體歷史的了解，這些測量方法不能區分酶和隨機多肽。
克羅寧和沃克希望組裝理論最終能解決物理學中非常廣泛的問題，比如時間的本質和熱力學第二定律的起源。但這些目標還很遙遠。「組裝理論程式仍處於起步階段，」Marletto說。她希望看到這一理論在實驗室中得到檢驗。但這也可能發生在對外星世界發生的類生命過程的探索中。
譯者：Araon_
