思考生命复杂性的新视角
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编者按：复杂的生命如何从化学中产生？科学家如何识别地球以外的生物生命迹象？组装理论提出了一种识别生命系统分子的方法，并可能为复杂性的产生和演化带来全新视角。文章来自翻译，希望能对你有所启示。
本故事的原始版本刊登在【量子杂志】上。
如果其他星球上存在生命的话，可能与地球生命非常不同，以至于我们可能认不出它产生的任何生物特征。我们不能保证外星生物会使用与地球上相同的化学物质，以及诸如DNA和蛋白质熟悉的构建块。科学家甚至能发现这种生命形式的特征，而并不清楚它们是生物学的产物。
这个问题远非假设。今年4月，欧洲航天局的Juice航天器从法属圭亚那发射升空，前往木星及其卫星。其中一颗卫星，木卫二(Europa)，在其冰冻的外壳下有一个深邃的卤水海洋，是太阳系中最有希望寻找外星生命的地方之一。明年，美国宇航局的欧罗巴快船(Europa Clipper)将发射升空，目标也是寻找木卫二卫星的生命迹象。这两个航天器上都有机载仪器，可以寻找复杂有机分子的指纹，这可能是冰层下生命迹象存在的一些蛛丝马迹。2027年，NASA计划发射一架名为「蜻蜓」的无人驾驶直升机，飞越土星卫星土卫六（泰坦）的表面。土卫六是一个朦胧、富含碳及有机物的世界，有液态碳氢化合物湖泊，可能正好适合孕育生命，但不是我们认知中的生命。
自 20 世纪 70 年代科学家们首次尝试利用「维京号」登陆器寻找火星生物迹象以来，这些任务和其他即将展开的任务将面临同样的障碍，这个障碍一直困扰着他们：没有明确发现外星生命迹象。
这种情况可能即将改变。2021 年，苏格兰格拉斯哥大学的李·克罗宁（Lee Cronin）和亚利桑那州立大学的萨拉东·沃克（Sara Walker）领导的研究小组提出了一种非常通用的方法来识别生命系统制造的分子，即使是那些使用陌生的化学物质分子。他们说，他们的方法只是假设外星生命形式会产生与地球生命具有相似化学复杂性的分子。
这一策略所依据的思想被称为组装理论，其目标更为远大。正如最近一系列出版物所阐述的那样，它试图解释为什么像你我这样看似不可能存在的东西会存在。它所寻求的解释，并不是物理学中永恒的物理定律，而是一个赋予物体历史和记忆的过程。它甚至试图回答一个困惑了科学家和哲学家几千年的问题：生命到底是什么？
毫不奇怪，这样一个雄心勃勃的项目会引起怀疑。它的支持者尚未明确说明如何在实验室中对其进行测试。一些科学家怀疑，装配理论是否能够做到：区分生命与非生命，并以一种新的方式思考其中的复杂性。
但也有人认为，这仍是组装理论的早期阶段，它很有可能为复杂性如何产生和演变提供一种新的视角。「参与其中很有趣，」圣达菲研究所(Santa Fe Institute)所长、进化理论家戴维·克拉考尔(David Krakauer)说。他说，「集合理论提供了一种发现物体偶然历史的方法——这是大多数复杂性理论所忽略的一个问题，它们倾向于关注事物的存在方式，而不是如何形成的。」亚利桑那州立大学的物理学家保罗·戴维斯（Paul Davies）对此表示赞同，称其为「一个有可能改变我们对复杂性思考方式的新想法」。
论事物的发展顺序
克罗宁提出了一个问题：既然不同原子的组合方式多如天文数字，为什么大自然能制造出一些分子，而不能制造出另一些分子？根据物理定律，物体是可能的存在的；另一种说法是，从其组成部分也能组装出一个物体。克罗宁说：「提出组装理论是为了捕捉我的直觉，即复杂的分子不可能凭空出现。」
与此同时，沃克一直在思考生命的起源，这个问题与制造复杂分子密切相关，因为生物体内的分子过于复杂，不可能偶然组装起来。沃克想，在达尔文理论出现之前，一定有什么东西在引导着这一过程。
克罗宁和沃克在2012年参加了美国宇航局的天体生物学研讨会后开始联手合作。「萨拉和我讨论了信息论和生命，以及制造自我复制机器的最小途径，」克罗宁回忆说。「对我来说，这一点变得非常清楚，我们都一致认为，在生物学出现之前，存在一种缺失的‘驱动力’。」
现在，两人都认为，组装理论提供了一种一致的且精确的数学解释，阐述了事物为何会存在历史偶然性。例如，为什么要先有多细胞生命？然后才有人类生命起源？后来因文明和科学的出现才能造成火箭。综上所述，物体是按照特定的顺序出现。
「我们生活在一个递归结构的宇宙中，」沃克说。「大多数结构都必须建立在对过去的记忆之上，这些信息是随着时间积累起来的。」
这似乎是显而易见的，但一些关于事物顺序的问题却很难回答。恐龙一定要先于鸟类存在吗？莫扎特一定要先于约翰·科尔特兰吗？我们能说哪些分子必然先于DNA和蛋白质存在吗？
量化复杂性
组合理论提出了一个看似毫无争议的假设，即复杂物体是由许多简单物体组合而成的。该理论认为，通过考虑一个物体是如何制造出来的，就可以客观地衡量它的复杂性。具体做法是，计算从材料中制造物体所需的最少步骤数，这被量化为组装指数（AI）。
此外，要使一个复杂物体在科学上具有意义，就必须有大量的复杂物体。非常复杂的东西可以通过随机组装过程产生，例如，你可以通过将任何旧的氨基酸连接成链来制造类似蛋白质的分子。不过，一般来说，这些随机分子不会做任何有意义的事情，比如像酶一样发挥作用。而且，以这种方式得到两个完全相同的分子的几率微乎其微。
然而，在生物体中，功能性酶一次又一次被可靠地制造出来，因为它们不是随机组装的，而是来自于跨代遗传的基因指令。因此，虽然找到一个单一的、高度复杂的分子并不能告诉你它是如何形成的，但找到许多相同的复杂分子是不可能的，除非有某种精心安排的过程——也许是生命在起作用。
克罗宁（Cronin）和沃克（Walker）认为，如果一个分子足够丰富，足以被检测到，那么其组装指数可以表明它是否由一个有组织的、类似生命的过程产生。这种方法的吸引力在于，它不需要假设分子本身的详细化学成分，也不需要假设制造分子的类生命实体的化学成分。它忽略化学细节。康奈尔大学(Cornell University)的行星科学家乔纳森·鲁宁(Jonathan Lunine)说，这使得它在我们寻找可能不符合地球生物化学的生命形式时特别有价值，同时他也是一项在土星冰冷的卫星土卫二(Enceladus)上寻找生命的计划的首席研究员。
卢宁说:「在生命探测任务中，至少需要一种相对不可知的技术。」而且，他补充说，利用已经用于研究行星表面化学的技术来进行组装理论所要求的测量是可能的，从而来证明使用组装理论解释数据是非常可行的。
衡量生命复杂性的指标
我们需要的是一种快速简便的实验方法来确定特定分子的组装指数。利用化学结构数据库，克罗宁、沃克和他们的同事设计了一种方法来计算制造不同分子结构所需的最小步骤数。他们的结果表明，对于相对较小的分子，组装指数大致与分子量成正比。但对于更大的分子(比如比小肽大的任何分子)，这种关系就不成立了。
在这些情况下，研究人员发现他们可以使用质谱法（mass spectrometry）来估计组装指数。美国宇航局的「好奇号」探测器已经使用这种技术来识别火星表面的化合物，美国宇航局的「卡西尼「号宇宙飞船也使用这种技术来研究土卫二喷发的分子。
质谱法通常将大分子分解成碎片。克罗宁、沃克及其同事发现，在这一过程中，高组装指数的大分子比低组装指数的大分子（例如简单重复的聚合物）会分裂成更复杂的碎片混合物。通过这种方式，研究人员可以根据分子质谱的复杂性可靠地确定组装指数。
当研究人员测试这项技术时，他们发现由生命系统产生的复杂分子混合物——大肠杆菌培养物、紫杉醇(太平洋紫杉树的一种代谢产物，具有抗癌特性)、啤酒和酵母细胞等天然产物，其平均组装指数要明显高于矿物质或简单有机物。
这种分析很容易出现假阴性——一些生命系统的产物，如阿德贝格单一麦芽苏格兰威士忌，其更低的组装指数表明来自非生命系统。但也许更重要的是，实验没有产生假阳性：非生物系统无法聚集足够高的组装指数来冒充生物体。因此，研究人员得出结论，如果在另一个星球上测量到一个带有高组装指数的分子样本，那么它很可能是由我们可以称之为生命的实体制造的。
质谱法只适用于能够接触到物理样本的天体生物学搜索，即登录任务，或者像欧洲航天局的木卫二探测器这样的轨道飞行器，可以接收和分析从星球表面喷射出来的分子。但克罗宁和他的同事们现在已经证明，他们可以使用其他两种技术来测量分子组装指数，并得到一致的结果。其中一种是红外光谱学，它可以被詹姆斯·韦伯（James Webb）太空望远镜上的仪器所使用，这些仪器可以远程测量遥远世界的化学成分。
这并不是说这些分子检测方法提供了一个干净的观测指标，可以区分从岩石到爬行动物。剑桥大学的计算机科学家和生物技术专家Hector Zenil指出，格拉斯哥研究小组的所有样本中，组装指数最高的物质——根据这种衡量标准可能被认为最具「生物特性」的——不是细菌，而是啤酒。
摆脱决定论的枷锁
组装理论预言，像我们这样的生命体不可能孤立地出现——一些复杂的物体只能与其他物体一起出现。这很有道理，宇宙不可能只产生一个人。为了创造人类，它必须创造我们一大群人。
对于像人类这样泛称的具体的、实际的实体，传统物理学的解释是有限的。物理学提供了自然法则，并假设特定的结果是特定初始条件的结果。按照这种观点，我们一定是在宇宙形成的最初时刻就以某种方式被编码好了。但要让智人(更不用说你)的出现不可避免，肯定需要极其精细的初始条件。
组装理论的支持者认为，它可以摆脱这种过度确定的图景。这里，初始条件并不重要。相反，制造像我们这样的特定物体所需要的信息一开始并不存在，而是在宇宙进化的展开过程中积累起来的——它使我们不必把所有的责任都归咎于一个不可思议的微调大爆炸。沃克说，信息「在路径中，而不是在初始条件中」。
克罗宁和沃克并不是唯一试图解释观察现实的关键可能不在于普遍规律，而在于一些物体组装或转化为另一些物体的方式的科学家。牛津大学的理论物理学家Chiara Marletto和物理学家David Deutsch也有类似的想法。他们将自己的方法称为构造函数理论（constructor theory） ，该理论考虑哪些类型的变换是可能的，哪些是不可能的，Marletto 认为其「在精神上接近」组装理论。
「构造函数理论讨论的是能够进行特定变换的任务的集合，」克罗宁说。「它限制满足物理定律的情况下可能发生的事情。」他说，组装理论将时间和历史加入到这个等式中。
为了解释为什么有些物体被制造出来而另一些没有，组装理论确定了四个不同的「宇宙」的嵌套层次结构。
在组装宇宙中，基本构建模块的所有排列都是允许的。在可能的组合中，物理定律限制了这些组合，所以只有一些物体是可行的。然后，偶然组装宇宙 （Assembly Contingent） 通过挑选出那些实际上可以沿着可能的路径组装的物体来削减物理上允许的大量物体。第四个宇宙是观测组装宇宙 （Assembly Observed） ，它包括那些组装过程，这些组装过程产生了我们实际看到的特定物体。
组装理论利用图或相互连接的节点网络的的数学研究思想，探索所有这些宇宙的结构。沃克说，这是一种「物体优先理论」，组装理论关注的是实际制造出来的物体，而不是它们的组成部分。」
为了理解组装过程是如何在这些概念宇宙中运作的，可以考虑达尔文进化论的问题。传统上，演化是一旦复制分子随机出现就「立即发生」的事情——这种观点有可能带来同义反复的风险，因为它似乎说，一旦可演化的分子存在，进化就开始了。相反，构造理论和组装理论的支持者都在寻求「根植于物理学进化的定量理解」，Marletto说。
根据组装理论，在达尔文演化论之前，某些东西必须从组装可能宇宙中选择高组装指数对象的多个副本。克罗宁说，通过将相对复杂的分子缩小到一个小子集，化学本身就可以做到这一点。普通的化学反应已经从所有可能的排列中「选择」了某些产物，因为它们的反应速度更快。
因此，益生元环境中的特定条件，如温度或催化矿物表面，可能已经开始从可能的集合中筛选出生命的分子前体。根据组装理论，这些益生元偏好将被「记住」：这些分子编码了自己的历史。一旦达尔文选择论占据上风，它就会倾向于那些能够更好地自我复制的物体。在这个过程中，这种对历史的编码变得更加强烈。这就是为什么科学家可以利用蛋白质和DNA的分子结构来推断生物体的进化关系。
因此，组装理论「提供了一个跨越物理学和生物学的统一框架来描述自然选择，」克罗宁、沃克和同事们写道。「一个物体被组装的步骤越多，它就需要越多的自然选择才能形成。」
「我们正试图建立一个理论来解释生命是如何从化学中产生的，」克罗宁说，「并以一种严格的、经验可验证的方式来做这件事。」
超越所有度量方法?
Krakauer认为，组装理论和构造函数理论都为思考复杂物体如何形成提供了新思路。「这些理论更像是望远镜，而不是化学实验室，」他说。「它们让我们看到事物，而不是创造东西。这根本不是一件坏事，而且可能会非常强大。」
但他警告说，「就像所有的科学一样，只有试验之后才能够判定是否成功。」
与此同时，Zenil认为，考虑到诸如柯氏复杂度 （Kolmogorov complexity） 等相当多的复杂性指标，组装理论只不过是重造轮子。对此 Marletto不同意。她说:「有几种衡量复杂性的方法，每一种都体现了不同的复杂性概念。」但她说，这些度量标准中的大多数都与现实世界过程无关。例如，柯尔莫哥洛夫复杂性假设有一种设备可以将物理定律允许的任何东西组合在一起。这种度量适合于「可能组装宇宙」的度量，但不一定适合「观测组装宇宙」。相反，组装理论是「一种很有前景的方法，因为它侧重于是可操作定义的物理特性，而不是抽象的复杂性概念。」
克罗宁说，以前的这些杂性测量方法缺少的是对复杂物体历史的了解，这些测量方法不能区分酶和随机多肽。
克罗宁和沃克希望组装理论最终能解决物理学中非常广泛的问题，比如时间的本质和热力学第二定律的起源。但这些目标还很遥远。「组装理论程序仍处于起步阶段，」Marletto说。她希望看到这一理论在实验室中得到检验。但这也可能发生在对外星世界发生的类生命过程的探索中。
译者：Araon_
