被稱為“大膽突破的新萬物理論” ，是新範式？還是偽命題？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！12-14 10:31
撰文 | 小葉
科學家們在做什麼 ？揭示地上生命的奧秘，探索天上星塵的演變，解開萬物萬事之理……眾所周知，自上世紀初，物理學家始終在追尋是否能用簡單的理論描述宇宙中所發生的一切物理事件。
一百年後，科學家們繼續大膽發表新理論，最近有兩篇理論文章分別發表在《自然》與《美國國家科學院院刊》上。前者試圖成為統一生物學和物理學的理論框架，但也引發巨大爭議；後者宣佈發現一條“缺失”的自然法則，可解釋演化系統，似乎更獲得同行認可。
組裝：從非生命到生命的組裝過程
長久以來，蘇格蘭格拉斯哥大學的化學家Lee Cronin一直在思考這樣一個問題：不同原子之間的組合方式之多，多如天上繁星，那為什麼自然界創造出這樣一些分子，而不是其他分子呢？與此同時，地球另一邊美國亞利桑那州立大學的天體生物學家、理論物理學家Sara Walker則思索着生命起源的問題。這一問題與複雜分子的創造有着異曲同工之妙，因為鮮活生物有機體內活躍着過於複雜的分子，這絕非偶然而成，在達爾文自然選擇理論接管生物過程之前，她猜測一定有什麼在發揮指引作用。[1]
2012年，兩位科學家在美國國家航空航天局（NASA）的天文生物學研討會上相遇。會議期間倆人一直討論着信息論、生命以及構建自主複製機等各種話題。趣味相投的倆人隨後便成立課題組，帶領團隊深入探索複雜生物體，尤其是複雜生命湧現過程的機制，試圖建立一套自洽、在數學上能夠做出精確描述的理論，這是非常經典的理論物理學家思維模式。[1]
2021年，這個團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上發表論文，首次正式提出了組裝理論（assembly theory）[2]。作者假定，生命系統與非生命系統的區別在於前者能生成複雜分子，數量之多、丰度之高，後者無法企及。而複雜分子卻由許多簡單分子，如同搭積木般，通過生物化學反應，步步組裝而成。因此，作者推斷應該存在構建給定複雜化學分子的最少組裝步驟數，作為足以讓生命出現的閾值——即作者定義的組裝指數（assembly index）；反過來説，複雜程度超越該閾值的任何化學分子，背後都存在生命或者類生命過程在運作。由此可見，該理論的初衷是提供一套理論範式和測量方法，從生物化學角度設定新的生物特徵，幫助人類在搜尋地外生命過程中判斷所發現的蹤跡，是否為生命現象或至少是類似於地球上已知的生命過程。[3]
兩年之後，研究人員進一步擴充了組裝理論，今年10月在《自然》期刊上發表了題為《組裝理論解釋並量化選擇和演化》（Assembly theory explains and quantifies selection and evolution）的文章[4]。用作者自己的話來説，進一步發展後的組裝理論始終將化學置於舞台中心，“提供了一個跨越物理和生物學的統一框架來描述自然選擇，理解演化。”以此為基礎，團隊構建了一套全新的組裝宇宙觀，包含四個不同“宇宙”概念的嵌套層級結構：
首先範圍最大的是組裝宇宙（Assembly Universe）中，基本構造模塊的所有排列都是允許的。其次是可能組裝宇宙（Assembly Possible）中，物理定律對這些組合施加約束，因此只有一些物體是可行的。然後，偶然組裝宇宙（Assembly Contingent）通過挑選那些實際上可以沿可能路徑組裝的物體，對物理上允許的大量物體進行削減。第四個宇宙是觀測組裝宇宙（Assembly Observed），它只包括那些生成我們實際看到的特定對象的組裝過程。
為了理解組裝過程如何在作者的概念宇宙中運作，作者引入了達爾文演化論作為分界線。在達爾文演化論發揮作用之前，必須從可能組裝宇宙中選擇高組裝指數對象的多個拷貝。普通化學反應在所有可能排列中“選擇“出某些產物，因為它們有更快的反應速度。前生命環境中的特定條件已經在可能組裝宇宙中篩選構成生命的分子前體池，這些前生命環境偏好被如今的生物分子記住：分子編碼了自己的歷史。隨後，一旦達爾文的演化論和自然選擇開始接管生命運作過程，生命就會傾向選擇那些能更好自我複製的物體。在這個過程中，這種對歷史的編碼愈發強力，這也就是為什麼科學家可以通過蛋白質和DNA分子結構來反推生物的演化關係。[3, 4]
接下來，設定一套精準測量的數學方程很重要。在21年論文提出的組裝指數基礎上，團隊在新文章中還創造了另一變量：給定物體的丰度或者拷貝數。Cronin表示這一變量非常關鍵：“具有相似拷貝數的複雜物體絕對是選擇的黃金標誌物。”因為物體越是複雜，如果不選擇製造出它的信息驅動機制，那麼相似拷貝存在的可能性就越小，這也就是為什麼複雜物體並非隨機生成，而是選擇介導，通過其形成歷史來定義[3]。一個物體被組裝的步驟越多，就需要經歷越多的自然選擇才能出現。因此，將組裝指數和拷貝數組合起來便得到了一個方程，該方程確定了生成對象集合所必要的選擇量，也就是説，從無選擇到選擇的過渡，例如無生命物質到有生命這一關鍵轉變時刻，這是以一種數學上可定義的方式改變了組裝中的路徑，可通過該方程來體現。實質上，同時具有高組裝指數和高拷貝數的對象物體便是“選擇”發生作用的證據[5]。
當然，實驗驗證理論有效性也是不可或缺的重要一環。研究人員表示通過該理論，可以量化包括鄰苯二甲酸二乙酯、短多肽和細胞結構在內的系統中的選擇和進化。儘管目前該理論是在可觀測的分子水平上得到了發展，但也有潛力用於更廣泛的模型，來模擬各種複雜性的演化，不僅是複雜的生命，還涉及語言和技術等。[3]
這篇試圖統一複雜生命和非生命的“野心之作”在頂尖權威期刊上一經發表，便收穫了相當複雜的反響。一方面，《自然》還發表了由南非開普敦大學複雜系統科學家George Ellis撰寫的評論文章[5]，支持組裝理論是統一物理學和生物選擇的普適框架，但如何應用於複雜環境，比如解釋湧現的生物層級結構，則需要繼續探索。科技媒體也稱讚組裝理論是“大膽突破的新萬物理論”[6]。
另一方面，學界專家似乎並不能接受這一理論，論文發表之後沒多久，科學家們很快在論文評論區、在媒體上打起了“筆仗”，熱鬧非凡。有些人覺得自己的專業受到了冒犯，另外一些人則很困惑，大家都是同行，竟然看不懂同行的文章到底想説什麼。演化生物學家尤為憤怒，科廷大學副教授Bill Bateman從論文摘要出發，對自己所理解的論文內容展開批評，表示“作為一個旨在統一演化和物理學的廣泛新範式，組裝理論似乎——對於我和許多其他人來説——是在解決一個並不存在的問題。”[7]
首先，在學界專家看來，這篇文章充滿着對已有生物概念的誤解。
丹麥技術大學的Kasper P. Kepp教授在論文評論區從論文標題、摘要以及文章開頭部分逐字進行批駁，措辭相當嚴厲。以標題為例，Kepp立馬糾錯：“一套不適用演化論生物學單位（核酸和氨基酸）的理論是無法量化選擇和演化的。” 而且標題還有誇大其詞之嫌，容易誤導讀者。對於選擇論，論文作者認為“它（選擇）揭示了物體通過一個向前的動態過程，考慮到其組裝，而得到表徵。” 但Kepp立刻指出：“選擇不是一個向前發展的動態過程，而是在給定的固定時段內種羣中表型適應性程度高低的結果”。接下來，作者繼續表示，如果要理解在沒有預先藍圖設計情況下，物理世界如何湧現出無窮無盡的形態，就必須要有一套理解並能量化選擇的新方法，而Kepp則闡明瞭真實情況：“我們早就理解了選擇，並且無需‘設計’（基因、氨基酸等）就能量化選擇。而侷限性在於數據複雜性。論文中還描述了最初一批組裝體早期湧現過程中的選擇壓力，寫得模稜兩可，與真正作用於分子組裝的生物化學作用力毫無關係。”總而言之，在Kepp看來，這篇論文對演化論和生物化學有這麼多誤解，語言晦澀，最後竟然還通過了編輯和審稿人的審核，由此可見即便如《自然》這樣的期刊，同行評審也不盡善盡美。
在該評論發出兩天後，Walker博士同樣逐段詳細回覆，並反駁了Kepp教授的批評。以針對標題的討論為例，Walker博士表示，在演化論、選擇説被提出的時代，人們還不知道核酸和氨基酸，儘管目前以生物形式展開的大部分演化理論最終都提到了核酸和氨基酸，但生物學內許多現有理論也不僅僅依賴於這些特定分子。課題組所想要挑戰的是目前沒有任何理論（基於演化論或其他思想）能夠解決生命起源這一問題，所以，組裝理論是團隊所能提出的最佳方案。
其次，從技術層面來説，對於論文中所採用的測量方法和數學方程，也不全然是作者的創新。
劍橋大學化學工程和生物技術系的研究員Hector Zenil教授在自己的博客上[8]撰寫長文，指出組裝指數可以用簡單的統計編碼方案所取代，因為組裝指數與霍夫曼編碼等工作很相似。霍夫曼編碼指無損數據壓縮算法，根據預測到的符號重複出現的頻率來編碼，頻率越高，編碼該符號的長度越短。Zenil還通過實驗指出用傳統的一維 Run Length Encoding（RLE）、霍夫曼編碼等方法得出的相關性比組裝指數高。所以在Zenil看來，組裝理論用組裝指數來作出判斷生命和非生命的標準，不僅像重複發明輪子，還有一定誤導性[9]。
北京師範大學珠海校區-複雜系統國際科學中心特聘副研究員劉宇也補充表示[6]，組裝理論和柯式複雜度面臨着同樣的問題，即最隨機、最無規律的序列是“複雜度”最高的。所以組裝理論定義組裝指數為生成分子的最少步驟數，但文章中計算該指數用的是一個稱為split-branch的算法，本質上是在迭代地數重複亞分子結構的個數，並不能給出“生成分子的最少步驟數”。[10]
最後，在論文正文內容中，科技新聞網站Ars Tchnica的資深科學編輯，同時也具有生物學高等教育背景的John Timmer在通讀全文之後，就指出其中的若干問題[11]：首先作者自己提出的“選擇與物理學統一”，只不過是干擾因素，干擾了讀者對組裝理論的理解，而且作者在正文中對於組裝理論也沒有給出很好的解釋。相反，華盛頓大學的演化生物學家Carl Bergstrom一針見血地指出，如果僅從化學角度展開討論，組裝理論的統一效果確實很好。然而在正文中，其實作者並沒有做到將其與物理學統一起來。作者甚至承認：“組合空間在當前的物理學中不發揮突出作用，因為其對象被建模為點粒子而且組合對象。”而且，“從某種意義上來説，該定義與標準物理學完全對立，後者將所感興趣的對象作為最基本且牢不可破的。”但是，這些都無法阻止作者在摘要中寫下完全相反的陳述。
儘管爭論紛紛，悉尼新南威爾士大學化學學院教授Palli Thordarson在個人推特上一口氣發了19條推文[12]，他的觀點則比較中立，態度更開放一些，他表示：“在我看來，組裝理論顯然有其優點，推進了我們對複雜化學系統的思考，尤其設計生命起源研究和天體生物學研究。但是我感覺我們仍然需要更好地在實驗條件下確認生命起源之前的化學背景，之後才能接受組裝理論，讓其在化學、生物、物理三大學科交叉領域內發揮更加深刻的作用。”
發現“缺失的”自然演化法則：從生命到宇宙
組裝理論提到了達爾文的演化論。眾所周知，該理論用來揭示地球上的生命現象，而不適用於更加錯綜複雜的系統，例如行星、恆星、原子等。今年9月發表在《美國國家科學院院刊》上的論文[13]描述了一條“缺失的自然法則，首次承認自然世界運作的一條重要準則，該新準則明確了複雜的自然系統演化成更模式化、更多樣且更復雜的狀態。”
這篇論文出自美國天文學家、行星科學家、礦物學家和哲學家團隊之手，內容集中於探討在演化論選擇以及其他複雜系統構建過程之間的並行關係。自然界中普遍存在着各種系統演化，文章例舉的現象包括恆星中元素混合構建、行星中礦物複雜性的發生等，這些正對天文學家和行星科學家的胃口。
作者將演化中的系統間的並行關係視作概念上等價，因為它們都表現出以下三大顯著特徵：第一，它們都有大量組成元件組成，能夠組合形成大量不同屬性的構型；第二，存在大量不同構型的形成過程；第三，構型基於功能而獲得優先選擇。”
同樣的演化也發生在礦物王國中，最早期的礦物尤能代表原子的穩定排列這一特徵，而這些原始礦物為下一代礦物的演化奠定基礎，後者參與了生命起源活動。生命與礦物的演化相互交織，動物的外殼、牙齒和骨骼都是生命利用礦物的創新成果。
讓我們現在仰望宇宙，在大爆炸之後，兩大主要元素：氫和氦很短時間內就形成了首批恆星，而最早的恆星繼續利用氫和氦製造出了20種更重的化學元素，以如此多樣性為基礎，下一代的恆星繼續生成了100多種元素。[14]
不同系統演化的細節可能各不相同，但作者認為，無論系統是有生命的還是非生命的，當新的構型運作順利，功能得到增強，那就説明演化正在進行中。此外，雖然從未明確定義過，但作者還承認生物擁有所謂的“功能信息”。換言之，當什麼東西“發揮功能”時，生物有能力保持繼續生成該東西，同時還生成其變體。儘管這有點兒類似於穩定的原子核或者礦物，但是後者缺少由DNA提供的外部信息儲存。作為結論，作者提出了“功能信息增加定律”（law of increasing functional information）：如果系統的許多不同構型面對一個或多個功能的選擇，那麼系統的功能信息將增加（即系統將演化）。
當然，還有許多事物不是並行關係。演化持續不斷地探索新構型，與此同時，元素和礦物的形成分別受限於物理學和化學。儘管這些系統能經受不同壓力和温度範圍，與生物學相比，它們極端受限。研究人員也承認：“近期研究已經評估出，地球如今生物圈的組合相空間早已遠遠超出了非生物宇宙的組合相空間。”
儘管如此，這篇論文的主要目的在於為在宇宙中搜尋地外生命提供理論框架，來自康奈爾大學天文系、同時也是卡爾薩根學院成員的Jonathan I. Lunine是這篇論文的一作之一，他解釋説：“如果演化中的物理或者化學系統功能性因自然法則驅動而在增加，那我們就可以期待生命是行星演化的常見結果。”[14]
同樣是跨越非生命和生命的新理論，在Timmer看來，《美國國家科學院院刊》的論文寫得要比《自然》論文好一些，畢竟文章內容中的論證邏輯更清晰易懂，不過在範圍上要比組裝理論限制更多些。與此同時，目前也尚不清楚這些論點是否能真正證明上述實例中的並行關係，因為它們有比概念相似更深層次的內容值得挖掘。
此外，任何一個理論最終是否有用途，都要經過實驗檢驗才能確認，無論是爭吵得沸沸揚揚的組裝理論，還是在天文學家圈子內比較容易接受的新自然法則，目前可能暫時還沒有辦法使用這些理論驅動實驗項目的展開，但這不意味着最終沒人能辦到。至於新理論究竟是新範式還偽命題，目前尚無定論，但新理論有爭議在科學界也是非常常見的現象，這反而能夠敦促研究人員進一步反思理論的合理性、有效性，發現自己看不到的“盲點”，從而建立更加經得起同行最嚴苛批評、實踐考驗的可靠理論。無論最終結果如何，這都是人類為揭開萬物最深處奧秘做出的每一步努力的證明。
參考資料
[1] https://www.quantamagazine.org/a-new-theory-for-the-assembly-of-life-in-the-universe-20230504/
[2] https://www.nature.com/articles/s41467-021-23258-x
[3] https://www.chemistryworld.com/news/assembly-theory-puts-chemistry-centre-stage-to-explain-molecular-complexity-and-lifes-origins/4018228.article
[4] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06600-9
[5] https://www.nature.com/articles/d41586-023-03061-y
[6] https://www.sciencealert.com/assembly-theory-bold-new-theory-of-everything-could-unite-physics-and-evolution
[7] https://mp.weixin.qq.com/s/oq6P1mqQFZB_UioBq23wrg
[8] https://hectorzenil.medium.com/the-8-fallacies-of-assembly-theory-ba54428b0b45
[9] https://arxiv.org/abs/2210.00901
[10] https://www.linkresearcher.com/theses/ebe4100d-563e-4da4-84f7-4157cc1e7b39
[11] https://arstechnica.com/science/2023/10/can-selection-tie-evolution-more-closely-to-physics/
[12] https://twitter.com/PalliThordarson/status/1711669007798165633?ref_src=twsrc%5Etfw%7Ctwcamp%5Etweetembed%7Ctwterm%5E1711669007798165633%7Ctwgr%5Edb06f9153e71643e6d528d973c44f0fbed0dbebf%7Ctwcon%5Es1_&ref_url=https%3A%2F%2Fwww.chemistryworld.com%2Fnews%2Fassembly-theory-puts-chemistry-centre-stage-to-explain-molecular-complexity-and-lifes-origins%2F4018228.article
[13] https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2310223120
[14] https://sciencesprings.wordpress.com/2023/10/23/from-the-college-of-arts-and-sciences-at-cornell-university-natures-missing-evolutionary-law-identified/
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