摘要

在我們的生物圈中，生命出現(xiàn)的過程涉及若干關(guān)鍵事件，這些事件使得分子系統(tǒng)得以持續(xù)存在、自我復制和進化。所有這些過程都在特定的環(huán)境背景下發(fā)生，并且需要分子多樣性以及恰當?shù)姆瞧胶鈼l件，以維持并促進能夠通過自然選擇進化的復雜自維持分子網(wǎng)絡(luò)。生命是一種在多個方面有別于非生命的過程，不能簡化為標準的化學反應(yīng)。此外，達到更高的復雜性水平需要新事物的出現(xiàn)。這是如何發(fā)生的呢？在此，我們回顧了與生命早期起源相關(guān)的不同案例研究，從相變和分岔的角度出發(fā)，將對稱性破缺和滲流作為兩個核心要素。我們討論了一些簡單的模型，這些模型有助于理解生命起源的關(guān)鍵步驟，例如分子手性、向第一批復制子（replicators）和合作子（cooperators）的轉(zhuǎn)變、錯誤閾值和信息丟失的問題，以及作為生命出現(xiàn)基礎(chǔ)的“無秩序”（order for free）的潛力。

關(guān)鍵詞：生命起源，相變，分岔，對稱性破缺，滲流，準物種（quasispecies），超循環(huán)（hypercycles）、分子手性

論文題目：Bifurcations and Phase Transitions in the Origins of Life 發(fā)表時間：2025年4月14日 論文地址：https://arxiv.org/abs/2504.08492

生命的起源是科學史上最深刻的謎題之一。從非生命物質(zhì)到活細胞的轉(zhuǎn)變需要一系列關(guān)鍵事件：分子多樣性的產(chǎn)生、自我維持的化學反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，以及自然選擇驅(qū)動的演化能力。然而，這些過程如何在早期地球的混沌環(huán)境中涌現(xiàn)？最新研究提出，相變（phase transitions）和分岔（bifurcations）的數(shù)學框架，可能是解開生命起源之謎的鑰匙。近期，一篇預(yù)印本綜述論文，通過對稱性破缺、滲流等物理概念，揭示生命起源中分子手性、復制子演化、自催化循環(huán)等關(guān)鍵步驟的普適規(guī)律。

相變建模：從統(tǒng)計物理到分岔理論

相變是物質(zhì)狀態(tài)的根本轉(zhuǎn)變，如水結(jié)冰或磁體失磁。統(tǒng)計物理學通過伊辛模型（Ising model）描述這類現(xiàn)象：微觀單元（如原子自旋）的局域相互作用，在臨界溫度下引發(fā)宏觀有序態(tài)（如磁化）。有趣的是，這種相變可通過平均場理論簡化為低維動力系統(tǒng)，例如磁化強度M隨溫度變化的方程：

當溫度 T 低于臨界值 Tc ，系統(tǒng)自發(fā)選擇兩種對稱有序態(tài)之一（磁化向上或向下），即對稱性破缺。這種路徑依賴的偶然性，與生命起源中分子手性的單向選擇高度相似。

圖 1. 動力系統(tǒng)中分岔的相變。

手性對稱性破缺：生命的左手與右手

生物分子（如氨基酸和糖）普遍具有單一手性（L型或D型），但化學合成通常產(chǎn)生等量混合物。如何打破對稱性？弗蘭克模型（Frank model）給出了答案：假設(shè)兩種手性分子 x1 = [D] 和 x2 = [L] 能催化自身合成并抑制對方，其動力學方程：

x2的解與其對稱，三個固定點分別是0，1和0.5。其中中間態(tài)（x=0.5）不穩(wěn)定，系統(tǒng)必然偏向某一手性。這一過程與磁體相變類似，微小擾動（如隕石攜帶的L型氨基酸偏倚）即可被非線性效應(yīng)放大，形成“凍結(jié)的偶然事件”。

圖 2.對稱性破缺和同手性的起源。

復制子與準物種：錯誤閾值的生存游戲

RNA等復制分子面臨錯誤閾值（error threshold）難題：突變率過高會導致信息丟失。準物種模型（quasispecies model）揭示，復制子的最大基因組長度(ν)與突變率滿足（μb），其中α為尺度因子：

當突變率超過臨界值，主序列消失，種群陷入“遺傳漂變”（圖3）。實驗證實，RNA病毒（如Qβ噬菌體）的突變率恰好接近此閾值，在演化可塑性與穩(wěn)定性間走鋼絲。

圖 3. 突變自復制系統(tǒng)的錯誤閾值。

自催化與滲流：循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的涌現(xiàn)

單一復制子難以突破復雜度極限，而超循環(huán)（hypercycles）通過合作打破瓶頸。例如，兩分子相互催化時，有動力學方程：

其中x1，x2是它們的相對豐度，在催化強度(Γ)超過競爭效應(yīng)時，系統(tǒng)從“贏家通吃”轉(zhuǎn)為共存相。類似地，滲流理論（percolation）表明，隨機化學反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在連接度達到臨界值時，必然涌現(xiàn)自催化循環(huán)（如甲醛聚糖反應(yīng)），為原始代謝提供基石。

相變視角下的生命起源：必然還是偶然？

生命起源的三大里程碑——手性均一化、信息穩(wěn)定傳遞、代謝網(wǎng)絡(luò)形成，均可視為動力學相變。這些臨界點既受物理定律約束，又依賴種種歷史偶然性。這可能提示我們，生命的出現(xiàn)并非“奇跡”，而是復雜系統(tǒng)在非平衡條件下自發(fā)有序化的必然結(jié)果。

彭晨| 編譯

生命復雜性讀書會：

生命復雜系統(tǒng)的構(gòu)成原理

在生物學中心法則的起點，基因作為生命復雜系統(tǒng)的遺傳信息載體，在生命周期內(nèi)穩(wěn)定存在；而位于中心法則末端的蛋白質(zhì)，其組織構(gòu)成和時空變化的復雜性呈指數(shù)式增長。隨著分子生物學數(shù)十年來的突飛猛進，尤其是生命組學（基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學等的集合）等領(lǐng)域的日新月異，當代生命科學臨近爆發(fā)的邊緣。如此海量的數(shù)據(jù)如何幫助我們揭示宇宙中最復雜的物質(zhì)系統(tǒng)——“人體”的構(gòu)成原理和設(shè)計原理？闡釋人類發(fā)育、衰老和重大疾病的發(fā)生機制？

集智俱樂部聯(lián)合西湖大學理學院及交叉科學中心講席教授湯雷翰，國家蛋白質(zhì)科學中心（北京）副研究員常乘、李楊，香港浸會大學助理教授唐乾元，北京大學前沿交叉學科研究院研究員林一瀚，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心博士后唐詩婕，共同發(fā)起，從微觀細胞尺度、介觀組織器官尺度到宏觀人體尺度，梳理生命科學領(lǐng)域中的重要問題及重要數(shù)據(jù)，由生物學家提問，希望促進統(tǒng)計物理、機器學習方法研究者和生命科學研究者之間的深度交流，建立跨學科合作關(guān)系，激發(fā)新的研究思路和合作項目。讀書會目前共進行10期，現(xiàn)在報名參與讀書會可以加入讀書會社群，觀看視頻回放，解鎖完整讀書會權(quán)限。

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非平衡統(tǒng)計物理讀書會啟動！

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