科学上的一个巨大谜团是如何将生命融入我们对宇宙的更广泛理解中。特别是，许多理论家一直在思考，生命的巨大复杂性如何与表明所有系统最终都会衰退到最混乱状态的热力学定律相协调。
对宇宙学家来说，这意味着宇宙将逐渐冷却，变成一个寒冷、停滞的死亡物质浴。这种令人不快的命运被称为热寂。
但在过去的 40 亿年里，地球上的生命一直朝着相反的熵方向发展，变得越来越复杂。我们的星球开始时是一个被形成相对简单分子的元素覆盖的大而热的岩石。如今，它是一个繁荣的分子机器球，其中一些拥有近乎难以想象的复杂性。
这是怎么发生的？对近代历史上的许多科学家来说，他们的怀疑是有些东西，无论在哪里，都不符合逻辑。
生物宇宙论问题
现在，包括西雅图系统生物学研究所的 Stuart Kauffman 和加拿大理论物理研究所的 Lee Smolin 在内的一群科学家表示，新的第四定律热力学可以解决这个悖论，并且这种新的思维方式将生物学和宇宙学联系在一个全新的科学中，他们称之为生物宇宙论。
Kauffman 和 Smolin 以及 Perimeter Institute 的 Marina Cortês 和 Andrew Liddle 从宇宙的熵清单开始。这本质上是对宇宙所有可能状态数量的计数。他们从粒子开始——粒子相关的总熵的数量级约为 10^90。然而，所有黑洞的熵要大得多，约为 10^104。
但与真空能量相关的熵相比，这显得微不足道，其数量级约为 10^124。事实上，可能构型的数量是 exp(10^124)，这是一个真正令人费解的数字。
Kauffman、Smolin 及团队接下来考虑的是生物学中可能构型的数量，以及这与宇宙数字相比如何。
乍一看，这个问题似乎很容易回答。他们指出：“地球上的粒子数量，比可观测宇宙中的粒子数量少约三十个数量级。因此，任何生物学贡献似乎都可以忽略不计。”
但他们说，这种思维方式被证明是错误的。他们的关键想法是，可能生物状态的数量必须以不同于宇宙中其他状态的方式来计算。正是这种新的计算方法极大地改变了宇宙熵预算背后的计算。
导致这种新思维方式的线索是，进化过程只选择了所有可能生物构型的极小一部分。因此，我们地球上看到的蛋白质等生物分子，以及它们组合形成复杂生命体的方式，是可能存在的数量的极小一部分。
更重要的是，随着可以组合的构建块变得越来越复杂，可能构型的数量会随着时间的推移而增加。所以一开始，生物分子由六种不同的元素组成——碳、氢、氮、氧、磷和硫。它们可以形成广泛的复杂有机分子。
这些分子中的一类是氨基酸，它们本身可以以巨大的数量方式组合形成蛋白质。当然，蛋白质结合形成各种分子机器，例如细胞器。这些组合形成细胞，细胞又形成多细胞生物，等等。
这种组合过程与物理学家通常考虑的、受物理定律支配的过程根本不同。这些定律对哪些状态可以形成、哪些不能形成施加了重要限制。
生物定律
相比之下，没有任何“生物学定律”可以阻止某些构型的出现。事实上，其中任何一种都是可能的。这就是为什么构型空间如此之大且不断增长。
那么，如何计算瞬时空间的大小呢？为此，该团队转向了 Kauffman 几十年前提出的一个想法——相邻可能性理论。这是进化以一种特殊方式导航可能生物构型空间的概念。
它假设在任何瞬间，自然都处于这个构型空间中的某个区域，并且只能探索相邻的其他区域。它通过众所周知的进化过程来实现这一点，在这个过程中，突变和有性重组产生了新的生物表型，这些表型可能更适合生存。
在没有任何“生物学定律”的情况下，这些变化会扩展构型空间，使其变得更大。
使用这种思维方式，研究人员计算出，当生命在大约 38 亿年前首次出现在地球上时，这个构型空间拥有大约 10^10^237 个潜在状态。
换句话说，Kauffman、Smolin 及团队总结道：“生物圈相空间中包含的微观状态数量比整个宇宙剩余相空间中包含的微观状态数量还要多。”
这是一个非凡的发现，因为它将生物学置于宇宙学的基础之上。该团队表示：“其影响深远，并开启了各种未来的研究方向，我们称之为生物宇宙论这一新科学领域。特别是，生命信息含量与宇宙信息含量之间的关系可能需要从头开始重建。”
这还促使该团队提出了第四定律热力学，以捕捉此类系统的行为。
该假说引发了许多需要解决的问题。其中最重要的是，宇宙的熵是否与生物微观状态的潜在数量相当。团队是否可能在比较苹果和梨？
然后是该小组最后的异想天开。他们问道，他们的新思维方式是否暗示着大约 40 亿年前生命的出现与大约在同一时间开始主导宇宙的暗能量的出现之间存在联系。“生命的涌现复杂性所关联的信息是否会改变宇宙真空能量？”他们问道。
如果是这样，那么生物宇宙论这门新科学就代表着我们对宇宙理解的重大进步。如果不是，那么至少 Kauffman、Smolin 及团队可以说他们承认这种说法是“离谱的推测”。
参考文献：生物宇宙论：迈向一门新科学的诞生：arxiv.org/abs/2204.09378 生物宇宙论：宇宙学视角的生物学：arxiv.org/abs/2204.09379
