資料圖

生物學(xué)和宇宙學(xué)這兩個(gè)領(lǐng)域常常被認(rèn)為沒(méi)有任何共同點(diǎn)，而且似乎沒(méi)有什么可以互相學(xué)習(xí)的?，F(xiàn)在，上述研究人員正試圖結(jié)束這一切。通過(guò)重新構(gòu)建宇宙物理學(xué)以將生物系統(tǒng)納入其中，他們開(kāi)發(fā)了一種“通用貨幣”，通過(guò)這種貨幣可以計(jì)算和比較各自的系統(tǒng)。換句話(huà)說(shuō)，這種“貨幣”使得生物系統(tǒng)的價(jià)值能夠被量化，并與宇宙學(xué)的不同部分（包括星系、暗能量和黑洞）進(jìn)行比較。

生物學(xué)和宇宙學(xué)的這種整合需要思維方式的轉(zhuǎn)變，擺脫還原論和認(rèn)為所有系統(tǒng)都可以通過(guò)將其分解為各個(gè)組成部分來(lái)理解的信念。相反，這種新的思維方式將通過(guò)考慮所有這些系統(tǒng)可能的未來(lái)狀態(tài)的數(shù)量來(lái)理解復(fù)雜的系統(tǒng)及其演化。

從技術(shù)意義上講，這種集成利用了系統(tǒng)可能結(jié)果的擴(kuò)展空間的概念；斯圖爾特·考夫曼（Stuart Kaufman）將這一概念稱(chēng)為相鄰可能理論（TAP）。從一般意義上講，這一理論可能對(duì)理解我們生活的許多方面產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，尤其是經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)新和災(zāi)難性的氣候變化。

那么，就這種新“貨幣”而言，地球生物圈的價(jià)值是多少？嘗試回答這個(gè)問(wèn)題將對(duì)理論物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

宇宙的可能狀態(tài)

當(dāng)試圖了解宇宙的起源時(shí)，宇宙學(xué)家希望計(jì)算出宇宙以今天的形式存在的可能性，而不是以其他形式存在。根據(jù)簡(jiǎn)單的熱力學(xué)理論，無(wú)序度和熵隨著時(shí)間的推移而增加，今天的宇宙應(yīng)該只不過(guò)是一個(gè)巨大的、毫無(wú)特征的、不冷不熱的氣體團(tuán)。但事實(shí)恰恰相反。我們?cè)谟钪嬷锌吹綗o(wú)數(shù)不同的事物：從行星到恒星，從星系到黑洞。為了理解我們的宇宙有多大可能（或不可能），我們需要計(jì)算像今天這樣的宇宙可能有多少種方式（用術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)有多少“微觀(guān)狀態(tài)”）。

直到大約20 年前，人們還認(rèn)為黑洞，尤其是在星系中心發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞，是宇宙熵和可能狀態(tài)的主要貢獻(xiàn)者。羅杰·彭羅斯使用雅各布·貝肯斯坦和斯蒂芬·霍金發(fā)現(xiàn)的公式計(jì)算出黑洞對(duì)宇宙的可能狀態(tài)有驚人的10^ (10^101) 種可能。 [數(shù)字10^101意味著1后面跟著101個(gè)零，這已經(jīng)超過(guò)了我們整個(gè)可觀(guān)測(cè)宇宙中所有粒子的數(shù)量。但我們這里討論的是1 后面跟著10^101 個(gè)零！ ] 但即便如此，與暗能量的發(fā)現(xiàn)相比也顯得黯然失色，暗能量被認(rèn)為是目前宇宙加速膨脹的原因。根據(jù)計(jì)算，暗能量使宇宙可能的狀態(tài)數(shù)量增加了10^（10^124）。這是我們?cè)谧匀唤缰杏龅降淖畲髷?shù)量。

可能的生活狀態(tài)

到目前為止，物理學(xué)家在計(jì)算像今天這樣的宇宙如何形成時(shí)，一直忽略了生命的存在。傳統(tǒng)物理學(xué)家，尤其是那些堅(jiān)定地信奉還原論的物理學(xué)家，會(huì)認(rèn)為生命的貢獻(xiàn)顯然微不足道，甚至不需要提出這個(gè)問(wèn)題，更不用說(shuō)回答了?，旣惸取た茽柼厮?Marina Cortes) 等研究人員持不同觀(guān)點(diǎn)。

物理學(xué)和生物學(xué)之間的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別在于，盡管物理學(xué)包含其現(xiàn)象的基本標(biāo)準(zhǔn)模型，但生物學(xué)中卻沒(méi)有這樣的東西。生活不斷以不可預(yù)測(cè)的方式創(chuàng)新，不斷創(chuàng)造新的利基和可能性，以及無(wú)數(shù)的互動(dòng)。與物理學(xué)不同，生物學(xué)中的可能性空間總是在不可預(yù)測(cè)地?cái)U(kuò)展。

“組合創(chuàng)新”是一種新的理論發(fā)展，可以解釋這種區(qū)別并將物理學(xué)和生物學(xué)結(jié)合在一起。組合創(chuàng)新將系統(tǒng)元素的每個(gè)新組合視為新元素的創(chuàng)建。隨著系統(tǒng)的發(fā)展，它通過(guò)這些新的組合創(chuàng)造出新的可能性，并變得更加復(fù)雜（“組合創(chuàng)新”的非技術(shù)應(yīng)用描述了如何通過(guò)組合和測(cè)試現(xiàn)有的想法來(lái)產(chǎn)生新的想法）。

鄰近可能性理論設(shè)想了這種創(chuàng)建新?tīng)顟B(tài)的涌現(xiàn)過(guò)程，并用TAP 方程描述了這個(gè)過(guò)程。關(guān)于TAP 方程的一般預(yù)測(cè)是，不斷演化的復(fù)雜系統(tǒng)中的狀態(tài)數(shù)量在突然增加之前往往會(huì)經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)而緩慢的平臺(tái)期。

對(duì)于地球上生命可能狀態(tài)的復(fù)雜性和數(shù)量來(lái)說(shuō)，“組合創(chuàng)新”意味著什么？碳、氫、氮、氧、磷和硫六種元素的組合通常稱(chēng)為CHNOPS，構(gòu)成了絕大多數(shù)生物分子。像瑪麗娜·科爾特斯這樣的研究人員使用這些化學(xué)元素作為他們正在建模的復(fù)雜系統(tǒng)的構(gòu)建塊。然后，他們使用TAP 方程對(duì)生物圈演化過(guò)程中可能的配置數(shù)量進(jìn)行建模。 35億年前，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)核糖核酸（RNA）分子出現(xiàn)時(shí)，生物圈可能的狀態(tài)數(shù)量為10^（10^237）。

這是一個(gè)令人震驚的發(fā)現(xiàn)。回想一下，當(dāng)今宇宙可能的狀態(tài)總數(shù)只有10^ (10^124)。這意味著，在35億年前RNA首次出現(xiàn)的世界中，生命的復(fù)雜性已經(jīng)超過(guò)了宇宙本身。宇宙學(xué)家可能從未預(yù)測(cè)過(guò)生物進(jìn)化得出的如此大的數(shù)字。 Marina Cortez 等人花了三年時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，不斷修改和反復(fù)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型，最終得出了這個(gè)結(jié)果。

生物宇宙學(xué)的未來(lái)

這是什么意思呢？這么多可能的狀態(tài)有什么意義呢？過(guò)去，人們普遍認(rèn)為宇宙中的黑洞等事物對(duì)熵和多樣性的貢獻(xiàn)最大，而我們的地球?qū)嶋H上貢獻(xiàn)很少。但瑪麗娜·科爾特斯和其他人的新研究表明，地球上生命的熵和多樣性使宇宙實(shí)體的貢獻(xiàn)相形見(jiàn)絀。

Marina Cortes 和其他人正在努力建立一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域：生物宇宙學(xué)（也稱(chēng)為有機(jī)宇宙學(xué)）。他們提出了一種量化宇宙生命價(jià)值的新方法，這無(wú)疑是巨大的。宇宙中一個(gè)幾乎可以忽略不計(jì)的微小角落可以創(chuàng)造出與宇宙中其他一切相媲美的多樣性和復(fù)雜性。通過(guò)這種方式，宇宙學(xué)也許能夠通過(guò)傳達(dá)生命的價(jià)值以及我們將失去多少的想法來(lái)為氣候變化辯論提供信息。換句話(huà)說(shuō)，生命是對(duì)宇宙物質(zhì)多樣性最有價(jià)值的貢獻(xiàn)，連黑洞都無(wú)法與之抗衡。