[论文解读] Origins of Life: A Problem for Physics

Sara Imari Walker|arXiv (Cornell University)|May 23, 2017

Origins and Evolution of Life参考文献 104被引用 10

一句话总结

本文认为生命的起源是物理学的根本问题，而不仅仅是化学问题，并提出需要一种以信息、层次结构和自上而下的因果关系为基础的统一生命物理理论，才能解释非生命物质如何过渡为生命系统。本文回顾了从RNA世界到自催化网络和热力学临界性的关键模型，结论是生命的出现需要一种能够解释信息驱动组织和层次因果关系的新物理学。

ABSTRACT

The origins of life stands among the great open scientific questions of our time. While a number of proposals exist for possible starting points in the pathway from non-living to living matter, these have so far not achieved states of complexity that are anywhere near that of even the simplest living systems. A key challenge is identifying the properties of living matter that might distinguish living and non-living physical systems such that we might build new life in the lab. This review is geared towards covering major viewpoints on the origin of life for those new to the origin of life field, with a forward look towards considering what it might take for a physical theory that universally explains the phenomenon of life to arise from the seemingly disconnected array of ideas proposed thus far. The hope is that a theory akin to our other theories in fundamental physics might one day emerge to explain the phenomenon of life, and in turn finally permit solving its origins.

研究动机与目标

• 将生命的起源重新定义为基本物理学的核心问题，而非单纯的生化或生物学问题。
• 论证定义生命与解决其起源并非两个独立问题，而是需要统一理论的相互关联挑战。
• 识别可能构成生命状态基础的关键物理原理，如自上而下的因果关系、信息处理和层次组织。
• 根据现有模型（如RNA世界、自催化集合、热力学临界性）在解释生命出现方面的能力进行评估。
• 倡导建立一种能够普遍解释生命的新的物理理论，类似于物理学中的其他基本理论。

提出的方法

• 调查生命起源研究中的主要理论框架，包括遗传优先、代谢优先和自催化网络模型。
• 分析信息在生物系统中的作用，特别是信息如何通过自上而下的控制发挥因果作用。
• 考察热力学、临界现象和对映体纯度等物理原理，作为生命可能具有的普遍特征。
• 评估现有模型在实现最小生命所具备的复杂性和动力学丰富性方面的局限性。
• 提出生命理论必须解释层次组织以及宏观层面、信息介导的控制的出现。
• 借鉴基础物理学概念（如粗粒化、重整化）的类比，以推测生命组织的物理基础。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些物理原理能够区分生命与非生命系统，它们如何能被普遍描述？
• RQ2 为何当前的化学和生化模型未能产生具备最小生命复杂性的系统？
• RQ3 信息如何在物理系统中作为因果代理发挥作用，特别是通过自上而下的因果关系？
• RQ4 层次结构和粗粒化的宏观态在生命出现过程中起到什么作用？
• RQ5 一种基本的生命物理理论会是什么样子，它如何统一多样化的生命起源假说？

主要发现

• 尽管不违反已知物理定律，但当前物理理论仍无法解释生命现象，因此生命的起源问题仍未解决。
• 生命很可能涉及自上而下的因果关系，即高层级信息结构影响低层级动力学，这挑战了标准还原论。
• 在生命系统中，信息是物理且具有因果作用的，但其在组织生物复杂性中的精确角色仍未被现有物理学所解释。
• 尽管RNA世界和自催化集合等模型具有启发性，但它们无法实现真实生命所具备的动力学丰富性和可演化性。
• 生命的出现可能需要一种新的物理框架，以解释层次组织、信息流动和历史偶然性。
• 一种能够解释非生命物质向生命物质过渡的普遍生命理论仍然难以捉摸，但对解决生命起源问题至关重要。