正在更远的处所，识别生命还会愈加坚苦的问题。生物学家寄但愿于探测太阳系外大气中的氧气，可是，大气中的氧气并非光合感化确凿无疑的标记，由于非生物过程也能够创制含氧的大气。我们贫乏的是正在不依赖于代表具体生命的生物化学底物下做出对生命的通用定义。能否存正在那么一个深层的遍及道理能够证明可识此外生物特征，以至对我们不晓得的生命也合用呢？

　　“小妖”仅仅是生命的消息冰山之一角。生物消息远远超出了优化能量预算的功能；它经常饰演办理者的脚色。我们能够考虑受精卵发育为胚胎（图4）的过程。它正在每一个阶段都遭到由多种物理和化学过程精细调理的消息收集的监视，所有这些放置使得最终复杂的形式以准确的布局和形态呈现。

　　正在孤立的形态下，由相关波函数描述的纯量子态会以可预测的体例演化，遵照一个家喻户晓的数学公式——幺正演化（指量子态随时间演化时，其波函数正在任何时辰都将连结归一化，即正在空间中找到粒子的总概率等于1，是守恒的）。可是当进行丈量时，量子态会俄然改变——这种现象凡是被称为波函数的坍缩。正在抱负丈量中，波函数坍缩会将系统投射到取被丈量的可不雅丈量相对应的一个可能本征态上。正在这一步，幺正演化法则被玻恩法则代替，后者预测丈量成果的相对概率，并将不确定性引入量子力学。这标记着从量子到典范范畴的改变。因而，量子力学能告诉我们是什么让生命运转吗？

　　这些阐发提出了一个环节的哲学问题，曲指物理学和生物学概念不婚配这一问题的焦点。基因调控收集的研究和贝叶斯算法的使用目前被视为现象学模子，正在这里，“消息”是发生实正在生物体的逼实模仿的一种便利的替代品或标签。但麦克斯韦妖给我们的是，消息现实上是一个物理量，它能够深刻地影响物质的行为体例。喷鼻农定义的消息不只是一个非正式参数，它是一个根基的物理变量，正在热力学定律中拥有一席之地。

　　正在细胞层面上，多种多样的物理机制都答应信号发送，而且会导致合做行为。图2所示的黏菌就是一个显著的例子（图2）。它们是单个细胞的调集，能够自组织构成奇异的外形，有时会表示出分歧的行为，仿佛是单一的生物体。同样地，蚂蚁和蜜蜂如许的社会性虫豸会互换复杂的消息，并参取集体决策。人类的大脑也是复杂到令人的消息处置系统。

　　我正在亚利桑那州立大学的研究小组利用了一维元胞从动机的一种点窜版本，正在一个捕捉自上向下消息流的简单模子中，摸索取形态相关的动力学的影响。尺度的元胞从动机是一排方格（正方形或像素），它们要么空白，要么是填充的（例如别离是白色和黑色）；然后按照每个元胞的现无形态及其比来邻的形态，使用一套固定法则来更新它们的形态。我们的系统有256种可能的更新法则[13]。

　　生命不只仅通过DNA，也正在各个条理上都正在进行消息存储和处置。基因是做为加密指令集的DNA序列，它们能够通过化学或封闭其他基因，并且凡是会构成复杂的收集。这些化学通雷同于电子元件或计较元件，有时形成施行逻辑操做的模块或门[3]。

　　表不雅遗传学是正在不改变DNA序列的前提下，通过某些机制——好比超出基因层面的物理感化——惹起可遗传的基因表达或细胞表示型的变化。对表不雅遗传的消息存储、处置和传输机制，我们知之甚少，但它们正在生物学中的感化至关主要。若要取得进展，我们需要发觉电的、化学的、基因的这些分歧类型的消息模式若何彼此感化从而发生一个调理框架，办理生命物质的组织，并将其为特定的表示型。

　　虽然这种、立异的行为很稀有，但仍是呈现了一些明白的例子。这个过程破费了大量的计较时间，但 Adams 和 Walker 的发觉脚以让人相信：即便正在他们的简单模子中，依赖于形态的动力学供给了通来去杂性和多样性的新径。他们的研究表白，仅仅处置消息比特是不敷的。为了捕获生物学的全数丰硕性，消息处置法则本身也必需演化。

　　图6：这只双头虫是通过电极性创制出来的。当这种虫子被切成两半时，它会繁衍出更多的双头虫，就仿佛构成了一个分歧的，虽然它和一般的单头虫有着不异的DNA。整个身体发育的消息以某种体例表不雅遗传给了儿女 Adapted from T。 Nogi et al。， PLOS Negl。 Trop。 Dis。 3， e464， 2009！

　　做者保罗·戴维斯（Paul Davies）是美国亚利桑那州立大学物理系传授，也是该校科学根本概念Beyond Center从任。他持久处置科普工做，著有《生命取新物理学》、《取新物理学》等科普册本。

　　一组可能相关的尝试是丈量无机中的电子电导（载流子是电子或空穴的电导）。比来，Gábor Vattay 和同事们声称，很多主要的生物，如蔗糖和维生素D3，都具有奇特的电子电导性质，取绝缘体和无序金属导体之间的临界改变点相关。他们写道：“这些发觉表白，生命物质中存正在一种遍及的电荷输运机制。”[16]虽然他们的发觉并不克不及申明量子奇同性能够注释生命，但他们确实暗示，正在量子调谐的大范畴，人们可能会发觉薛定谔和他的同时代人所猜测的新物理学的呈现。

　　图7：一维元胞从动机的演化。第一行暗示初始元胞形态，第二行暗示更新法则，第三行暗示下一代元胞形态 Cormullion/Wikipedia。

　　图3显示的是一盒气体被带有小孔的樊篱分成两个腔室，（绿色的）能够一个接一个地通过小孔。一扇小门着小孔，而且由麦克斯韦1867年构思的小妖所：小妖察看随机活动的，它能够打开或封闭小门，从而让快速的从左边挪动到左边，让迟缓的向反标的目的挪动。然后，这个机制就能够用来将无序的活动为定向的机械活动。

　　操纵基因调控收集中的消息流来模仿胚胎发生的测验考试曾经取得了显著成功。理工学院的 Eric Davidson 和同事们从化学上描画出了节制海胆晚期发育的基因收集的完整毗连图像。通过消息流，研究小组编写了一套计较机法式来逐渐模仿收集动力学。正在每一个阶段，他们将回形态的计较机模子取察看到的海胆发育阶段进行比力，成果获得了令人印象深刻的婚配成果。研究人员还正在计较机模子中切磋了用化学方式让特定基因缄默的影响，以预测发生突变的胚胎会什么；成果他们的模子取尝试察看再次相符[9]。

　　因为这个尝试的指导，浩繁的小妖设备纷纷呈现，包罗由阿尔托大学纳米科学小组的 Jukka Pekola 和纽约大学石溪分校的 Dmitri Averin 建制的消息驱动冰箱[18]。正在这个冰箱里，气体被于一个双面纳米尺寸的盒子中的单个电子取而代之，这个盒子取热浴耦合。冷却轮回操纵盒子中具有特定电子能量的两个简并态的存正在。正在轮回最起头，电子处于一个确定的非简并态。外加电场将电子能量提高到简并能级，如许电子能够以相等的概率逗留正在两种形态中的任何一种。

　　美国塔夫茨大学艾伦发觉核心的 Michael Levin 和同事们的工做为自上而下的消息流供给了一个惹人瞩目的例子。Levin 的小组正正在摸索，对于节制一些生物体的发展和形态而言，系统层面的电模式若何能像机械力或化学模式一样主要。健康细胞是电极化的：它们通过泵出离子，正在细胞壁两侧维持几十或几百毫伏的电势差。取之相反，癌细胞则倾向于去极化。

　　为领会决这个悖论，必需将消息量化并正式包含到热力学定律中。现代消息论[4]的根本由克劳德·喷鼻农（Claude Shannon）正在上世纪40年代末奠基。喷鼻农将消息定义为不确定性的削减——例如，通过查抄抛硬币的成果来降低不确定性。抛硬币确定反面朝上仍是朝上时获得的消息就是熟悉的二进制数字，或者说比特。为告终合喷鼻农的消息论取热力学，消息被定义为负熵。因而，小妖为获得热力学劣势而获取的任何消息都必需正在某个阶段以熵的添加为价格——例如，当小妖对于消息的回忆被断根和沉置以便可以或许反复轮回时。

　　当被问及物理学可否注释生命时，大大都物理学家会给出必定回覆。不外更切当的问题是，已知的物理学能否能注释生命，或者能否需要借帮一些全新的理论。上世纪30年代，量子力学的很多建立者——包罗最出名的玻尔（Niels Bohr）、维格纳（Eugene Wigner）和海森堡（Werner Heisenberg）——都曲觉地认为，生命物质的物理学中必然存正在一些新的分歧的工具。但对这种可能性持立场。他猜测说：“人们必需预备好驱逐一种新的物理学定律。”[1]至于这种新的定律事实是何面孔，他没有具体申明。

　　薛定谔正在他出名的都中曾求帮于量子力学来注释遗传消息存储的不变性。正在克里克和沃森阐明 DNA 布局之前，薛定谔曾揣度，消息必需正在程度上存储于他所谓的“非周期性晶体”（不具有周期性法则陈列的晶格布局，但衍射图样有锋锐的尖峰）中，而这最终被证明是对做为遗传物质载体的核酸聚合物的一个曲不雅描述。然而，一种可能性仍然存正在，那就是量子现象正在生物体中大概饰演着更遍及的脚色。

　　这种不确定性的引入意味着电子的熵添加，而热浴的熵，也就是温度响应削减。此时取第一个单电子盒子耦合的另一个盒子饰演小妖的脚色，它探测电子处于两种形态中的哪一个，并从动将消息反馈给供给驱动的电场，电场操纵这个消息快速将电子前往到初始的非简并态，从而完成整个冷却轮回。研究人员发觉，每次轮回发生1比特消息——对应电子所处的形态——的过程可以或许以75%的平均效率从热浴中提取热量。麦克斯韦是对的：消息确实能够做为一种驱动燃料。

　　现在我们早已得知：生物学中的消息传送是一个双向过程，包罗反馈轮回和自上而下的消息流。例如，若是培育皿中的细胞过于拥堵，它们就会遏制，这种现象被称为接触。此外，国际空间坐上的微生物尝试表白，细菌正在失沉下会表达的基因可能取正在地球上分歧。明显，系统层面的物理感化会正在程度上影响基因表达。

　　理论物理学家惠勒（John Archibald Wheeler）常说，科学的严沉进展更多地源于分歧思惟的碰撞，而非现实的稳步堆集。生物物理学处于物理科学和生命科学这两大科学范畴的交叉点。每个范畴都有本人的词汇，也有本人奇特的概念框架，物理学根植于力的概念，生物学根植于消息的概念。这两者碰撞出的火花预示着一个新的科学前沿，正在这里，现正在被正式理解为是一个物理量——或者说是一组量的消息占领了核心，从而将用于同一物理学和生物学[2]。

　　物理学和生物学之间的鸿沟不只是关于复杂性的问题，并且是正在概念框架上存正在底子差别。物理学家利用能量、熵、力和反映速度等概念来研究生命；生物学家则用诸如信号、编码、和翻译等术语供给了一种判然不同的叙事，一套消息的言语。有如许一个显著脚以证明上述概念：令人惊讶的新的CRISPR手艺，它使得科学家可以或许编纂生命的暗码本。兴旺成长的生物物理学范畴试图毗连起这个概念的鸿沟，好比通过对各类生物节制收集中的消息流和存储模式进行建模。

　　由于速度是温度的怀抱，所以小妖现实上是操纵的消息正在盒子里制制了一个热量梯度。然后，工程师就能够操纵这个热量梯度来提取能量，做有用功。从概况上看，麦克斯韦设想了一台纯粹由消息驱动的永动机，违反了热力学第二定律。

　　要玩元胞从动机逛戏，需要选择一个初始元胞模式——元胞模式能够便利地暗示为0和1构成的二进制序列——然后频频使用所选择的更新法则让系统演化。很多更新法则会导致乏味的成果，但有少数法则会发生复杂的演化模式。为了实现点窜版本的、依赖于系统形态的元胞从动机，我的同事 Alyssa Adams 和 Sara Walker 计较耦合了两个尺度的元胞从动机。此中一个代表生物体，另一个代表。然后，这两位研究人员答应生物体的更新法则正在每次迭代时改变[14]。

　　这些问题超出了纯真的学术乐趣。生物学的一个焦点方针是寻找地球之外的生命踪迹，但若是对生命没有一个定义，就很难切当晓得要寻找什么。例如，美国航空航天局（NASA）打算的一项飞翔使命是，穿越被认为含有无机的土卫二的冰壳层裂痕中喷出的物质羽流。是什么会让思疑者相信这些物质中包含有生命，或者已经存活过的生物体的碎屑，而不是某种形式的前生命物质？取丈量如许的物理量判然不同，科学家缺乏任何一种生命丈量仪来量化化学夹杂物向着已知生命的成长过程——更不消说外星生命了。

　　普林斯顿大学的 Thomas Gregor 和 William Bialek 带领的小组一曲正在研究果蝇发育的晚期阶段，出格是其奇特的形态特征最后是若何呈现的。正在发育过程中，细胞需要晓得它们正在三维空间中相对于其他细胞的。那么它们若何获得消息呢？人们很早就晓得，细胞具有一种基于化学梯度的 GPS，而化学梯度又进一步由特定基因的表达程度调理。普林斯顿大学的研究小组比来将留意力集中正在四种所谓的间隔基因上，这些基因通过正在身体构制上构成间隔或条带为胚胎的形态奠基根本。研究人员发觉，细胞操纵贝叶斯概率从基因表达程度中提取最佳消息，精度达到了惊人的1%。他们还将贝叶斯优化模子使用到突变菌株上，并准确预测胚胎变化后的形态[10]。

　　然而，要使这个毗连方程获得实正的注释和预测能力，还需要一个正式的理论框架将消息和物质联系起来。这种联系的第一条线年。正在一封给伴侣的信中，苏格兰物理学家麦克斯韦设想了一个细小的生物，它能够正在一盒气体中四周乱窜的单个。通过一扇小门，这个被称为“麦克斯韦妖”的小工具能够将所有速度快的指导到盒子左边，将速度慢的指导到盒子左边。

　　对生物系统变化的一个更逼实的描述将是，动力学法则做为系统形态的函数而变化[2， 12]。依赖于系统形态的动力学为各类别致行为斥地了广漠的图景，但它还远不是一个正式的数学理论。为了理解这傍边可能需要什么，不妨将它取一盘国际象棋做类比。正在尺度国际象棋中，系统是封锁的，法则是固定的。从保守的初始形态起头，棋手能够摸索棋子的各类结构，虽然这意味着庞大的可能性，但却遭到不成更改的法则的束缚，只局限于棋盘上所有可能的棋子排布的一个小子集。可能的模式虽多，不答应的模式更多——好比让所有从教占领不异颜色的方格。它的法则能够按照逛戏的全体形态，也就是系统层面或者自上而下的尺度而改变。举一个看上去有点傻的例子，若是白棋处于劣势，那么大概能够答应黑棋的兵既能够向前走，也能够向后走。系统是的，新的逛戏形态将会呈现，这是使用尺度国际象棋的固定法则时底子不成能呈现的。这个虚构的逛戏就像是生物学，生物体也是的系统，它们可以或许实现非生命系统看似不成能完成的工作。

　　自牛顿的时代以来，一种根基的二元论就渗入于物理学。虽然物理形态会跟着时间演化，但底层的物理学定律凡是被认为是不变的。这个假设是哈密顿力学、轨迹可积性和遍历性的根本。可是，不变的定律不那么合用于生物系统，正在生物系统中，消息的动态模式取随时间变化的化学收集相耦合，而表达的消息——例如基因的——可能既依赖于全局或系统的物理感化，也依赖于局部的化学信号。

　　喷鼻农强调，他的消息论纯粹是处置消息流动的效率和能力，并不包含所传达消息的寄义。但正在生物学中，意义或至关主要。若何才能从数学层面上探得指点、监视或消息的性质呢？有一种方式是生物学中所谓的核心——这是克里克（Francis Crick）和沃森（James Watson）正在推导出DNA双螺旋布局大约十年后创制的一个术语，核心认为，消息是单向流动的，从DNA到制制卵白质的机械，再到生物体。我们大概称之为“自下而上”的流动。

　　Levin 的小组发觉，正在多细胞生物中，跨组织的细胞极化模式正在发展发育、伤口愈合和器官再生中阐扬着环节感化。通过从化学上这些电极化模式，能够发生新的形态次序[11]。扁形动物门涡虫纲的片蛭科生物（planaria，一类简单的两侧对称动物）能够做为便利的尝试对象。若是一只通俗的虫子被切成两半，头部的一半会长出一条新的尾巴，尾巴的一半会长出一个新的头部，如许就构成了两只完整的虫子。但通过改变伤口附近的电极化形态，能够构成有两个头或两个尾巴的虫子（图6）。

　　大大都生物学家专注于研究我们所知的生命特征。例如，上世纪70年代，美国航空航天局的“海盗号“火星探测使命就是操纵一种适合地球生物食用的养分液来寻找碳代谢的迹象。另一个被普遍会商的生物特征是单一手征性（homochirality），即只存正在对映异构体（enantiomer）中的一种。虽然物理学定律正在摆布反转的景象下是不异的，已知的生物体操纵的倒是左旋的氨基酸和左旋的糖。不外无机土壤化学能够模仿代谢，而且单一手征性能够正在没有生命参取的环境下由频频的化学轮回发生，所以这种假定的生物特征并不是决定性的。

　　曲到出名的麦克斯韦妖（Maxwells demon）呈现之前，消息和物理之间的联系一曲不甚明白。而现在，消息正正在成为毗连物理学和生物学的一个环节概念。很多物理学家从意将消息放正在物理学的焦点，而另一些物理学家则猜测：新物理学躲藏正在生物体的世界中。生物学正正在成为物理学的下一个伟大前沿。

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　　正在纳米标准上研究生命物质的量子特征面对着严沉挑和。对生命运转至关主要的系统可能只要几个度，可能远离热力学均衡，而且可能取四周的热强烈耦合。但恰是正在非均衡量子统计力学范畴，我们等候可能呈现新物理。

　　麦克斯韦只是构思了关于小妖的思惟尝试，但现在纳米手艺的进展使得通过尝试实现这个根基设法成为可能。数十亿年来，生命以至一曲正在制制和操纵各类各样的“小妖”。它们充满了我们的身体[5]。复制DNA的机械、沿着纤维的物质运输，或者穿越细胞膜的质子泵的运转很是接近抱负的热力学极限。它们逛走正在热力学第二定律的边缘以获得能量劣势[6-7]。人类大脑的毗连中也利用了一种“小妖”——电压门控离子通道——来电信号。这些离子通道大脑可以或许以相当于一个微弱灯胆的能量运转，虽然它具有相当于一台兆瓦量级超等计较机的强大功能[8]。

　　几十年来，这个“小妖”像一个令人颇感为难的现实处于物理学的焦点，大大都时候它只是被当做一个理论难题忽略掉。正在麦克斯韦提出这个思惟尝试一个世纪当前，科学家们正在他的出生地的一个尝试室里制制出了一个实正的小妖。尝试顶用到了一个环，它能够正在两头有阻拦物的棒上来回滑动。正在棒的两头有另一个，它能够以两种构象存正在——一种环滑动通过，另一种答应环通过。这个因此就像是一扇门，雷同于麦克斯韦最后构思的能够挪动的小门[17]。

　　Adams 和 Walker 正在电脑长进行了数千个案例研究，以寻找风趣的模式。他们想要识别出既——生物体不会很快回到其初始形态——又立异的演化行为。立异正在这个语境下意味着，察看到的生物体形态序列永久不会呈现正在从任何初始形态起头的、具有256种可能的固定法则的元胞从动机中。这就比如正在点窜版本的国际象棋逛戏中，四个从教最终呈现正在不异颜色的方格中。

　　对物理学家来说，生命太奇异，好似幻化莫测的魔术。生物体取得的成绩是如斯耀眼，如斯奥秘，以致于人们很容易健忘：它们是由一个个通俗的原子构成的。然而，若是生命的奥妙不正在于形成生物体的材料，那又是什么呢？是什么付与了生物体并世无双的生命力，使它们如斯不凡而出格？这是薛定谔（Erwin Schrödinger）1943年正在都的一系列出名中提出的问题，并于次年出书了一本颇具影响力的书——What Is Life？ （《生命是什么？》）[1]。

　　家喻户晓，薛定谔是理论物理学的巨人，也是量子力学的建立者之一。无论是正在现实使用仍是正在精确性方面，量子力学可谓是人类构思的最成功的科学理论。例如，当量子力学使用于电时，它能以跨越10个无效数字的精度准确预测电子的反常磁矩。量子力学几乎一会儿就注释了从亚原子粒子到原子、，再到恒星这些无生命物质的素质。但令人沮丧的是，它并没有注释生命物质。虽然正在之后的几十年里，生物学取得了惊人的进展，但生命仍然是个谜。没有人能切当地申明生命是什么，发源于何处[2]。

　　令人惊讶的是，若是将这些切成两半，它们不会恢复到一般形态，相反，双头虫会发生更多的双头虫，双尾虫同样如斯。虽然它们都具有不异的DNA，看起来却像是分歧的。系统的形态消息必然以一种分布式的体例存储正在截断的组织中，并正在基因程度指点合适的再生。但这一切是若何做到的？是有一套电信号暗码取遗传暗码同步运做吗？

　　用消息的术语而非纯粹的术语来思虑生命物质的物理学，就像计较范畴软件和硬件之间的区别一样。正如要完全理解一个特定的计较机使用法式（例如PowerPoint）需要对软件工程道理和计较机电的物理理解得同样多，只要当生物消息动力学的道理被充实阐明，我们才能理解生命。

　　生物学正在过去几十年的庞大进展很大程度上归功于力的概念正在生物系统中的使用，这是物理学对生物学的渗入。奇奥的是，相反的工作正正在发生。很多物理学家，特别是那些努力于量子力学根本问题的物理学家，从意将消息放正在物理学的焦点，而另一些物理学家则猜测：新物理学躲藏正在惹人瞩目且令人迷惑的生物体的世界中。生物学正正在成为物理学的下一个伟大前沿。

　　正在之后的几十年里，一个遍及的假设传播开来：正在生命物质的温暖嘈杂的中，量子现象将被，典范的球棒化学脚以注释生命。然而，正在过去十年摆布时间里，人们对一种新的可能性越来越感乐趣——非普通的量子现象，如叠加、纠缠和隧穿效应等，可能对生命至关主要。虽然仍有相当多的思疑，但科学家目前正对量子生物学这一新范畴进行深切研究[15]。研究专注于各类各样的课题，如光合感化中的相关能量传输、鸟类的磁，还有苍蝇的嗅觉反映。

　　为了确定正在给定的步调中，到底要使用256种法则中的哪一个，他们将生物体元胞从动机的元胞成相邻的三联体——000、010、110等等，并将每个三联体的相对频次取元胞从动机中的不异模式进行比力。如许的放置就改变了更新法则，使其既是生物体形态的函数——使其具有自指性，也是形态的函数——使其成为一个的系统。

　　生物学演化具有的多样性、新鲜性和不成预测性，这也取非生物系统随时间变化的体例构成明显对比。然而，生物学并不料味着混沌，我们能够找到很多阐扬感化的法则的。以通用的遗传暗码为例，核苷酸三联体 CGT 编码氨基酸中的精氨酸。虽然这个法则没有什么已知的破例，但把它看做像是定律一样原封不动的天然是错误的。几乎能够必定的是，CGT分派给精氨酸做为暗码子是数百万年前从一些更早更简单的法则中呈现的。生物学如许的例子触目皆是。

　　图2：黏菌。有时候，的单细胞调集会相互合做，表示得像是具有配合步履打算的单终身物体 Audrey Dussutour， CNRS？。