【原创】小议寻求对生命进化的可能的物理解释 （和水风） 3
水风兄的文章中，深入浅出的给大家解释了生命进化之初的化学原理。我想这里试图与大家探讨一下，我所知的物理学家们正在努力寻求对进化的物理解释，算是对水风兄的一个支持与补充。

这就不得不提上世纪80年代发展起来的软物质物理--熵统治的世界。当然这种物理方面揭示还刚刚起步，有很多东西还有待进一步研究，但个人认为不管如何寻求物理的解释才是最根本的解释，因为一切化学反应也离不开原子分子之间的物理作用力。

闲话少说，进入正题。生命的很多行为与软物质像橡胶，液晶有很多类似的地方，就是一个小的扰动可能造成整体特性的大的改变，正是这种改变使得生命体的变异进化才成为可能。

比如说纯天然的橡胶乳液氧化形成了固化的橡胶，但这种橡胶非常不结实，很容易就会因为空气的继续氧化而破碎。而将天然橡胶硫化之后就变得非常的耐用，不容易破碎。“与氧同族的硫元素仅仅比氧的化学活性略差一点，但达到的效果却迥然不同。这就是所谓的弱力引起大变化。如果你数一数与硫磺反应的碳原子数目，你会发现其只占1/200，这是一个具有代表性的数据。然而，这种及其微弱的化学反应已经足可以引起物质的物理状态从液态变到固态：流体变成了橡胶。”[1]这证明物质状态能够通过微弱的外来作用而改变，这正是软物质的定义，而显而易见，生命体，大分子蛋白质正是属于这种弱力引起强变化的软物质。

那么是什么道理呢，原来是熵在起作用。物理体系的状态可以由体系的内能以及熵与温度的乘积来共同描述。由于内能的变化与体系受力相关，那么在一定温度下，对于软物质，如果受到的力不大，那么其内能的改变也不会大，而在这样的弱力作用下，又要求体系发生比较大的变化，那么就一定得要求它的熵变化剧烈。也就是说，在软物质中体系的变化主要是由熵引起的，或者说熵占据了主导地位。这样软物质就可称作是由熵操纵的物质。在熵力的作用下，软物质体系会出现很多新奇的行为，比如原本混乱的微观体系会变得井然有序。这不正是类似于生命的进化过程吗?

具体类比解释一下这种熵与无序变有序的关系。比如说如果你由于看贴不回，结果遭到网友们的追打，最后你被堵到了一间屋子里，无数的网友充满了那间屋子，不停地挥舞手中的棒子想打你，这时候你所能处的最好的位置，少挨些打的位置就是墙角了。因为这样你至少不会受到来自墙的攻击。从那些追打你的网友的角度来说，他们的棍子不能永远挥舞，总会受到一些阻挡，具体说就是你的身体和墙壁，当你的身体靠在墙壁上的时候，阻挡他们挥舞的地方有了重合，于是从另一方面来说，给他们挥舞的空间就变大了。熵是对体系自由度（网友棍子活动空间）的量度，于是这意味着当你靠墙角的时候，封闭系统的自由度正大了，熵增了！而热力学第二定律正是告说我们封闭系统总是愿意向熵增加的方向变化。所以，本质上说起来，你躲向墙角原来是为了使得封闭系统熵增的结果。可是宏观来看，你从原本处于屋内任意位置最后总是躲向墙角，你是从无序变到有序了（但应该注意到，这种局部的有序实际上是导致了系统的更大的无序）！

任何生命组成，DNA,蛋白质都是这种软物质。蛋白质的自动折叠，组装也无一不与这种简单的熵力发生关系。尽管具体细节，还需要生物科学家与物理，材料科学家们合作进行更一步的研究。但至少，寻求对生命进化的简单的物理解释并不是不可能的任务了，生命原本简单，看贴不回只好站墙角，要想了解其中的奥秘，大家还需努力探索未知啊！

注1：摘自诺贝尔奖获得者法国物理学家德热纳所著科普读物《软物质与硬科学》
关键词(Tags): 心爱科学
不爱吱声 选转。不爱吱声 修改于2004-11-03 22:07:51

以前我有个学生物的ROOMMATE,和他讨论,一直有个问题不明白.
为沙漠会有人着样的高等动物进化出来.我开玩笑说,要是那天全世界核战爆发,人都死绝了,象细菌,蚂蚁这样的小动物肯定还活的好好的.

也许现在是建立近化论的热力学解释的时候了.

我个人相信生命的出现不是偶然的,也许我们可以象在热力学中那样定义某些宏观量,然后演绎出完整的生物发展理论.

人类的产生这个问题如果做出来了，
那肯定是呱呱叫，别别跳，乖乖不得了。

其实人跟其它生物间的差距，并不是那么大。有些时候，一两个基因的引入，就可以产生完全不同的后果。举个例子来说，设计程序的时候，我们往往会调用子程序。每次只调用一种子程序，产生的结果，跟每次调用两个，往往会是天壤之别。那么我们设想一下如果是三个呢？四个呢？那么这些相同的子程序产生出来的结果，往往是不可预料的。其实差别就是引入一个，还是两个，或者三个的区别。控制的基因，或者是代码，就那么几个就够了。

这样讲，只是大概给出了一个大的方向。究竟具体过程如何。我们并不知道。我们相信，至少这个大方向是对的。

欢迎有空来这里聊聊！

我对不爱老兄的这句话有点保留.
但个人认为不管如何寻求物理的解释才是最根本的解释，因为一切化学反应也离不开原子分子之间的物理作用力.

我挺同意ANDERSON的说法,上帝是庸懒的,他并不是只创造出最基本元素的物理学定率,然后推演出我们眼前的这个世界. 实际上,从基本粒子,到微观,再到宏观,在到宇宙的尺度,在这些不同的尺度上,上帝创造出了不同的物理定律,这些定律都是那么的自洽,简单,优美.

所以比如上帝制造风的时候,他并不是从QCD出发,那样的话即使是上帝也没有那个计算能力算出来,而且这样也有损上帝英明神武的形象,.实际上他只潇洒的在黑板上写下热力学公式
DF=DU + TDS +\MUDN 一切搞定.

所以回到生物这个尺度上, 并不是因为一切化学反应也离不开原子分子之间的物理作用力,所以要用物理的方法研究生物,而是那里本来就有物理呀.

以上是我的一点小看法,不过估计挺难的
看铺里高金他们搞了半天,不知到有沙漠进展,那位了解的高人给大家介绍一下.

深有同感
我也一直在期待从物理意义上给出一个解释。但是，很遗憾。耗散理论还不足以揭示这些细节问题。

我认为在生命的进化中，两个最重要的环节就是大自然中外在环境决定了能够产生多种可能性以及随机的事件将可能性变成历史的确定性。但是，这两个方面都没有物理学上或者热动力学上正式的阐述。我这次写的东西，只是围绕着从化学和生物学的角度上来阐述这两点是如何影响生命的产生和演化的。

生命所走过的每一步，都是历史上发生事件所积累的必然，同时也进一步确定了，或者说限制了下一步发展的方向。其实，科学在很多时候跟生活是相同的，我现在逐渐开始理解哲学博士的含义了。

多谢斑竹捧场！

想法是类似的
我着重强调的是世界本质是物理的。生物也好，化学也好有其物理机制在起作用。刨根问底来说，都归结为物理。

但是另一方面，尽管本质是相同的，我们却很难直接从基本物理原理定量推出一切，因为那样的话超出了人类的“计算能力”，所以不同的学科有其存在价值，但现在科学的发展更倾向于学科的交叉，探讨彼此理论存在的相互关系，互相验证，物理原理往往成为两通来个学科的桥梁。

是。我听一个学医的朋友说
人类的基因组不像以前想象的那么多，最特别的是，人跟其他动物，比方说老鼠，基因数差也很小。古怪的是人跟老鼠之间差别竟然这么大。
可以想象，生物科学的突破将给人类带来巨大的震撼。

I 服 了 u！
你 的 签 名！

是那句话，还是那个动画打动了你
欢迎常来。

这个贴，看完不回都不行。^_^
看到楼主在文末那个看贴不回要挨棍子的话，^_^，想不回帖都不行。

上面雪个谈到一个问题，就是，人类和其他动物的基因相差远远没有当初想像的那么巨大，为什么会发生表现形式的巨大差异呢？
目前一个可能的解释，也是比较有可能合理的解释，就是很多变化不是发生在某一个基因的差异上，而是发生在多个基因的协同作用的差异上。
比如，控制人体身高，就不是一个“身高基因”来控制的。同样，会不会有某些基因的共同作用上的差异导致蛋白水平的巨大不同呢？
举个例子，用三根火柴棍，你可以拼成一个三角形，也可以拼成一条线。

基因研究以前和现在都是很热门的，但是，蛋白和糖的研究也许将会带来更深入的认识，也许能解答一部分问题。^_^

幸亏还给俺们非物理学科留了点儿生路，relief!
    不多说了，偷个懒，用个旧贴附和一下，免得因看贴不回贴被杀。

    链接出处

    
    重复俺的观点：“俺对科学的力量估计没那么乐观。她的深度，广度的确是无限的，但仍远不足以应付整个世界，因为那是个更宽，更广的所在。”


ArKrXe 修改于2005-03-15 15:16:48

事情可能比想象的要复杂
原来在这里。
============================================

很多问题比我们目前的理解可能要复杂的多。简单说，以基因为例：
1。一般目前看法认为是一把钥匙开一把锁，（基本是如此），但实际上可能要复杂，相互作用，协同，不同方向的协同等等。而且在动态的进化中其发生是必然的。然后，

2。这个复杂性在进化中又不可能是无限的，甚至可以说是相当有限的。这是物理规律决定的，原因也是动态的进化。再继续，

3。现在又来了更大的问题，如果要去复原这个动态的发展过程，即所谓‘产生’的问题，那几乎是复杂的。。。

4。我们今天面对的是这个动态过程的‘阶段性’结果，而不是静态的‘必然’。


就象这样，从任何一点都有这样一连串的问题。蛋白质/核酸提供的是可能性，基因，我们发现的简单相互作用和还没发现的复杂相互作用都只是动态过程中的一个环节。

更麻烦的是在时间尺度和空间尺度上，它都处在我们思考最困难的位置上，（这太长，展开不了）---这也是最关键的一点。

稍微说远一点，每个人都想‘攻克癌症’，结果搞来搞去，手里的‘家伙’还只是有一把手术刀，而已。---就是这个意思了。