物理学长期以来未能解释生命但研究人员正在实验室测试一种突破性的新理论

现代物理学可以解释从最微小粒子的旋转到整个星系团的行为的一切。但它无法解释生命。根本没有公式可以解释活物质和死物质之间的区别。生命似乎只是从无生命的部分(例如基本粒子)神秘地“出现”。

组装理论是一种从根本上解释生命的大胆新方法，其框架最近发表在《自然》杂志上。它假设复杂性和信息(例如DNA)是其核心。该理论提供了一种理解这些概念如何在化学系统中出现的方法。

物理学家用“涌现”这个词来解释大于各部分总和的事物，例如当单个水分子不感觉湿润时，水如何感觉湿润。潮湿是一种新兴的特性。

虽然数学很优雅，但该理论最终只有在实验室进行测试才能可靠。精心设计的实验(例如我和我的同事现在正在进行的实验)对于将组装理论的抽象基础融入化学现实至关重要。

组装理论的核心思想是，对象不能被定义为不可变的实体，而是可以通过它们形成的历史来定义。这将焦点转移到从更简单的构建块构建复杂配置的过程上。

该理论提出了一个“组装索引”，它量化了构建一个对象所需的最小步骤或最短路径。这一衡量标准追踪产生物体集合所需的“选择”程度——指的是创造生物所需的记忆，例如DNA。

毕竟，生命体不会自发产生，例如恒星中的氦。他们需要DNA作为创建新版本的蓝图。

新颖性的预测

但如何通过实验来实际探索这些理论结构呢?装配理论的一个关键方面已经在我们的实验室进行了测试。即使用质谱法(一种可以测量分子质荷比的分析工具)测定组装指数。

通过破碎分子并分析它们的质谱，我们可以估计它们的组装指数。我们可以从字面上看到各种片段拼凑在一起形成给定分子需要多少步骤。组装指数也可以使用称为红外光谱和核磁共振光谱的其他技术来测量各种类型的分子。

我们已经在实验室和计算上确定了一系列分子的组装指数。我们的工作表明，与生命相关的分子，如激素和代谢物(代谢反应的产物)，确实比与生命无关的分子(如二氧化碳)更复杂，需要更多的信息来组装。事实上，我们已经证明，只有在与生命相关的分子中才能发现高于15步的组装指数——正如理论所表明的那样。

该理论还为生命起源提供了可检验的见解。这是因为它说，到了某个点，分子就会变得如此复杂，以至于它们开始使用信息来复制自己——突然需要记忆和信息——这是生命从非生命产生的阈值。

最终，非生物系统中可能存在选择和最小记忆(例如我们的太阳如何通过聚集大量质量形成行星)。但如果没有高水平的记忆和选择，你就无法获得活的有机体或它们创造的技术——无论是乐高还是火箭科学。

化学汤

我们计划通过在实验室中制造一种化学汤来更仔细地研究生命的起源。在这汤中，随着时间的推移，可以通过添加各种反应物或偶然地产生全新的分子，同时我们监测它们的组装指数和系统的生长。通过调整反应速率和条件，我们可以研究从非生命到生命的迷人转变点，并了解它是否遵循组装理论的预测。

我们还设计了“化学汤生成器”，它将简单的化学物质混合在一起以找到复杂的化学物质。这些可能会增进我们对如何使用组装理论构建复杂性以及如何启动生物学之外的选择的理解。

这可以揭示生命最初是如何进化的，从最小的选择开始，然后需要越来越多的选择。在相同的条件下，物体是否以可预测的方式构造?或者随机性是否会在某个时刻加入竞争?这将帮助我们了解生命的出现是确定性的、可预测的，还是更加混乱。

这意味着组装理论可以应用得更广泛。除了分子之外，该框架还可以激发对其他依赖于组合的系统的研究，例如材料聚集体、聚合物或人工化学。这可能会带来新的科学见解或技术发明。它可能揭示微妙的模式，即高于阈值组装指数的分子不成比例地拥有某些特性。

我们还可以利用该理论对进化本身进行详细研究。研究可以探索细胞碎片在形成整个细胞的过程中是如何存在的，这些碎片是由较小的分子结合形成氨基酸和核苷酸而产生的。以这种方式追踪代谢和遗传网络的出现可能会为进化史的转变提供线索。

然而，实验测试提出了挑战。跟踪物体的组装方式需要精确的实验监控。

但这可能是值得的。组装理论有望对物质产生全新的理解——有可能揭示超越生物学的层次结构的普遍原理。

物质的复杂配置可能不是一成不变的物体，而是随时间传播的开放式构造过程中的路径点。宇宙可能遵循某些物理定律，但它最终是创造性的。