代谢能力生成的奥秘与探索

现在，我们必须要回答那个无法避免的问题。为什么会有两个控制化学转化的不同法则，这难道不是自相矛盾吗？为什么会存在两种稳定性？这两种稳定性出现分歧时会造成什么结果，哪种稳定性会占据优势？答案让人十分惊讶。虽然热力学第二定律是终极法则，它的指引也不容忽视，但是占据优势的却是控制着复制世界的法则！让我们来思考一下为何会如此，只有这样我们才能深入了解那曾经困扰着埃尔温·薛定谔的问题——远离平衡态的系统是如何自发产生的？

确实没有物理或者化学系统能做出违背热力学第二定律的改变。这样做无异于让球自发地朝上坡的方向滚动，这样的情况不会发生。但是，如果复制系统得到了一个获取能量的系统，不就可以鱼与熊掌兼得了吗？因为，只有产生了获取能量的系统，复制系统才能在朝着增强动态动力学稳定性方向发展的同时也满足热力学第二定律的严格要求，哪怕这二者的要求常常互相违背。但这一切是如何自然产生的呢？

在最近的一个理论模拟中，本-古里安大学化学系的两位科学家伊曼纽尔·坦嫩鲍姆和纳撒尼尔·瓦格纳，以及我本人证明了，一个复制分子通过某些意外的变异产生了捕获能量的能力。比如，一个复制分子可以捕获光能，那么在原始的光合作用中，这一点已经足够战胜其他不具有这个能力的复制分子，并将那些分子推向灭亡。61即便具有能量捕获功能的复制因子的复制速率比其他分子要慢，这一点也依然成立！为什么会这样？复制如果要顺利进行，那么组成该分子的基本单位需要从化学上被激活。只有被激活之后，这些附着在模板分子上的基本组成单位才能相互连接起来。这是热力学第二定律的要求，复制分子必须遵守。不过，被激活（高能量状态）的组成单位通常要少于未激活（低能量状态）的组成单位。因此，一个不具有代谢功能的复制因子（不能获取能量）很快就会用尽被激活的组成单位，一旦这些物质被用尽，复制的过程就会停止。但是，如果复制分子具有代谢功能（能获取能量），那么这些分子在获得了能量后可以将能量转移给附着在其上的组成物质，从而激活这些组成单位。换言之，能够获取能量的复制分子可以明显增加处于激活状态的组成物质，因此也能促进该复制分子的复制。(www.xing528.com)

说得更通俗一些，具有能量获取能力的复制因子能够让其自身“摆脱”热力学第二定律的束缚，正如汽车的引擎使得它们可以摆脱重力的束缚一样。如果有外部能量的供给（汽油），一辆机动车也并不是只能朝着下坡的方向前进，它也能往上走。换言之，就像机动车是出行的便捷交通工具一样，一个可以获取能量的复制因子也比不具有这一能力的复制因子更加成功。上述类比的重点在于，它阐明了一个通过变异而具有了能量获取功能的复制系统，从动态动力学的角度来说变得更加稳定了，因此这样的系统也能在选择的过程中占据优势。到目前为止，我们将结构的复杂化视为增强动态动力学稳定性的主要方法，不过我们现在发现其他形式的复杂化，如代谢复杂化（从获取能量的角度而言），也可以起到增强动态动力学稳定性的作用。事实上，不具有代谢功能（处于能量底端）的复制因子一旦产生了获取能量的能力，那么这一刻就可以被视为生命的开端。从此刻开始，复制系统可以自由地去追寻其复制的“目标”，同时能够补充该过程所需的能量损耗。而且重要的是，随着这个能量获取机制在系统中的整合，动态动力学稳定性和热力学第二定律之间互相冲突的要求同时得到了满足。这意味着我们阐明了热力学不稳定但动态动力学稳定的原因。这个让薛定谔和其他物理学家们头痛不已的问题，似乎已经有了一个合理的解答。