帝國理工科學家用數學表明生命不應存在：新研究挑戰生命起源理論

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當我們凝視星空思考生命起源時，一個令人不安的數學現實正浮出水面：根據信息論的嚴格計算，生命從無機物質中自發產生的概率可能接近于零。倫敦帝國理工學院的羅伯特·恩德雷斯在最新研究中運用算法復雜性理論，對生命起源進行了前所未有的數學分析，結果顯示我們的存在本身就是一個統計學奇跡。

這項發表在arXiv預印本平臺上的研究，首次將信息論的數學工具系統性地應用于生物發生學問題。恩德雷斯通過建立數學框架，量化了從簡單化學分子自組裝成功能性細胞所需的信息復雜度，其計算結果挑戰了傳統的自然發生理論，暗示生命的出現可能需要我們尚未理解的特殊機制。

信息論揭示的復雜性障礙

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這幅早期地球的示意圖展示了液態水以及由于大規模撞擊而從地核滲出的巖漿。NASA的科學家正在研究地球歷史上這一時期可能存在的化學成分。圖片來源：Simone Marchi

在恩德雷斯的數學模型中，生命起源被重新定義為一個信息生成問題。每個生物分子——從最簡單的蛋白質到復雜的遺傳物質——都攜帶著特定的結構信息。這些信息必須以精確的順序排列，才能形成具有生物功能的系統。

根據算法信息論的基本原理，隨機過程生成高度有序結構的概率會隨著復雜性的增加而呈指數級下降。恩德雷斯計算發現，即使是最簡單的原始細胞，其所需的結構信息量也大到令人震驚的程度。如果純粹依靠隨機的化學反應來組裝這些結構，所需的時間將遠遠超過地球的實際年齡，甚至超過宇宙的年齡。

這一發現的核心在于所謂的'科爾莫哥洛夫復雜度'概念。任何有序結構都可以用生成它所需的最短算法程序來衡量其復雜度。生命系統的科爾莫哥洛夫復雜度極高，意味著沒有簡單的隨機過程能夠在合理時間內產生如此復雜的結構。這就像要求一只猴子隨機敲擊鍵盤，在有限時間內打出莎士比亞全集一樣不切實際。

在熱液噴口沉積物中可以找到地球上一些最古老生命形式的證據。圖片來源：NOAA

當前的生物化學研究表明，即使是最原始的生命形式也需要至少幾百個基因和相應的蛋白質才能維持基本的生物功能。每個基因的正確序列、每個蛋白質的精確折疊，都代表著巨大的信息內容。恩德雷斯的計算顯示，這種信息密度的自然產生概率小到幾乎可以忽略不計。

熱力學第二定律的根本挑戰

恩德雷斯的研究還從熱力學角度闡述了生命起源面臨的根本性障礙。熱力學第二定律表明，孤立系統的熵（無序度）總是趨向于增加。然而，生命的出現代表著熵的顯著降低——從無序的化學混合物轉變為高度有序的生物系統。

在早期地球的環境中，雖然存在各種能量源如太陽輻射、地熱能和雷電，但這些能源通常會促進分子的分解而非復雜分子的合成。高溫、強紫外線輻射以及缺乏保護性大氣層，都會迅速破壞任何偶然形成的復雜有機分子。

研究指出，即使在最有利的環境條件下，比如深海熱液噴口附近，生命起源仍然面臨著信息組織的根本性挑戰。雖然這些環境可能提供了必要的化學成分和能量梯度，但如何將這些成分組織成具有遺傳信息和代謝功能的系統，仍然是一個未解的數學難題。

恩德雷斯特別強調了'信息集成'問題。生命系統不僅需要復雜的分子，還需要這些分子之間的精確相互作用。蛋白質必須與特定的DNA序列結合，酶必須催化特定的反應，細胞膜必須維持精確的選擇透過性。這種多層次的功能整合所需的信息量，遠遠超過了隨機過程在地球歷史時間尺度內能夠產生的范圍。

現有起源理論的數學審視

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“全種論”認為，像細菌這樣的生物，連同其DNA，可以通過彗星等方式，穿越太空，到達包括地球在內的行星。“定向全種論”甚至暗示，這可能是外星人的杰作！圖片來源：Silver Spoon Sokpop

傳統的生命起源理論，如RNA世界假說和代謝優先假說，在恩德雷斯的數學分析下都顯露出不足之處。RNA世界假說認為RNA分子既能儲存遺傳信息又能催化反應，因此可能是最早的生命形式。然而，恩德雷斯計算顯示，即使是最短的具有催化活性的RNA分子，其隨機形成的概率也極其微小。

更為嚴重的是，RNA分子在早期地球的化學環境中極不穩定。沒有復雜的細胞機制保護，RNA會在短時間內水解分解。這創造了一個經典的'雞與蛋'問題：RNA需要蛋白質來保護和復制，而蛋白質的合成又需要RNA提供遺傳信息。

代謝優先假說試圖通過強調自組織化學網絡來規避這一問題，認為代謝反應網絡可以在沒有遺傳物質的情況下自發形成并逐漸復雜化。但恩德雷斯的分析表明,即使是最簡單的自催化反應網絡，其維持和發展也需要精確的分子濃度控制和反應條件，這種精確性的自然出現同樣面臨概率上的困難。

近年來流行的'新陳代謝優先'理論，雖然在實驗室中取得了一些進展，但在數學建模中仍然無法解決信息起源問題。這些實驗通常需要研究人員精心設計的反應條件和純化的試劑，遠離早期地球的真實環境。

外星起源假說的科學考量

面對數學模型揭示的巨大困難，恩德雷斯在研究中謹慎地提到了定向胚種論的可能性。這一最初由DNA發現者弗朗西斯·克里克和化學家萊斯利·奧格爾提出的假說認為，地球生命可能起源于外星文明的有意播種。

從純粹的數學角度來看，定向胚種論確實能夠規避自然發生理論面臨的概率困難。如果生命是由已經掌握復雜生物技術的外星文明創造并傳播的，那么生命的高度復雜性就不再是一個統計學上的不可能事件。

然而，恩德雷斯也指出這種假說面臨的問題。首先，它違背了奧卡姆剃刀原理，即在解釋現象時應優先選擇最簡單的假設。更重要的是，它只是將生命起源的問題轉移到了另一個星球，并沒有真正解釋生命最初是如何產生的。

現代天體生物學研究發現，宇宙中確實存在許多有機分子，包括氨基酸和核苷酸等生命的基本組成成分。隕石和彗星攜帶這些分子到達地球的可能性很高。但是，即使外太空為地球提供了生命的'原材料'，將這些材料組裝成功能性生命系統仍然面臨著恩德雷斯計算揭示的相同數學障礙。

未來研究的新方向

盡管恩德雷斯的研究揭示了生命起源的數學困難，但這并不意味著自然起源完全不可能。相反，這項工作為未來研究指出了新的方向：尋找能夠有效降低信息復雜性障礙的自然機制。

一個重要的研究方向是量子效應在生物系統中的作用。近年來的研究發現，量子相干性在光合作用、酶催化甚至鳥類導航中都發揮重要作用。如果量子效應能夠在分子自組裝過程中提供某種'導向'機制，可能會顯著提高復雜結構形成的概率。

另一個有前景的方向是研究臨界相變現象。在物理系統接近臨界點時，會出現長程有序和復雜圖案的自發形成。如果早期地球的某些環境條件能夠促進這種臨界現象，可能為生命起源提供了必要的組織原則。

信息論本身也在不斷發展。最新的研究表明，在某些開放系統中，信息的創建和傳播可能遵循與封閉系統不同的規律。這些發現可能為理解生命起源提供新的數學工具。

恩德雷斯的研究最重要的貢獻在于將生命起源問題轉化為一個精確的數學問題。無論最終答案是什么，這種量化方法都將幫助科學家更好地理解生命現象的本質，以及我們在宇宙中的獨特地位。