摘要：当我们凝视星空思考生命起源时，一个令人不安的数学现实正浮出水面：根据信息论的严格计算，生命从无机物质中自发产生的概率可能接近于零。伦敦帝国理工学院的罗伯特·恩德雷斯在最新研究中运用算法复杂性理论，对生命起源进行了前所未有的数学分析，结果显示我们的存在本身就是一
信息来源：https://scitechdaily.com/the-math-says-life-shouldnt-exist-new-study-challenges-origins-theories/
当我们凝视星空思考生命起源时，一个令人不安的数学现实正浮出水面：根据信息论的严格计算，生命从无机物质中自发产生的概率可能接近于零。伦敦帝国理工学院的罗伯特·恩德雷斯在最新研究中运用算法复杂性理论，对生命起源进行了前所未有的数学分析，结果显示我们的存在本身就是一个统计学奇迹。
这项发表在arXiv预印本平台上的研究，首次将信息论的数学工具系统性地应用于生物发生学问题。恩德雷斯通过建立数学框架，量化了从简单化学分子自组装成功能性细胞所需的信息复杂度，其计算结果挑战了传统的自然发生理论，暗示生命的出现可能需要我们尚未理解的特殊机制。
信息论揭示的复杂性障碍
这幅早期地球的示意图展示了液态水以及由于大规模撞击而从地核渗出的岩浆。NASA的科学家正在研究地球历史上这一时期可能存在的化学成分。图片来源：Simone Marchi
在恩德雷斯的数学模型中，生命起源被重新定义为一个信息生成问题。每个生物分子——从最简单的蛋白质到复杂的遗传物质——都携带着特定的结构信息。这些信息必须以精确的顺序排列，才能形成具有生物功能的系统。
根据算法信息论的基本原理，随机过程生成高度有序结构的概率会随着复杂性的增加而呈指数级下降。恩德雷斯计算发现，即使是最简单的原始细胞，其所需的结构信息量也大到令人震惊的程度。如果纯粹依靠随机的化学反应来组装这些结构，所需的时间将远远超过地球的实际年龄，甚至超过宇宙的年龄。
这一发现的核心在于所谓的"科尔莫哥洛夫复杂度"概念。任何有序结构都可以用生成它所需的最短算法程序来衡量其复杂度。生命系统的科尔莫哥洛夫复杂度极高，意味着没有简单的随机过程能够在合理时间内产生如此复杂的结构。这就像要求一只猴子随机敲击键盘，在有限时间内打出莎士比亚全集一样不切实际。
在热液喷口沉积物中可以找到地球上一些最古老生命形式的证据。图片来源：NOAA
当前的生物化学研究表明，即使是最原始的生命形式也需要至少几百个基因和相应的蛋白质才能维持基本的生物功能。每个基因的正确序列、每个蛋白质的精确折叠，都代表着巨大的信息内容。恩德雷斯的计算显示，这种信息密度的自然产生概率小到几乎可以忽略不计。
热力学第二定律的根本挑战
恩德雷斯的研究还从热力学角度阐述了生命起源面临的根本性障碍。热力学第二定律表明，孤立系统的熵（无序度）总是趋向于增加。然而，生命的出现代表着熵的显著降低——从无序的化学混合物转变为高度有序的生物系统。
在早期地球的环境中，虽然存在各种能量源如太阳辐射、地热能和雷电，但这些能源通常会促进分子的分解而非复杂分子的合成。高温、强紫外线辐射以及缺乏保护性大气层，都会迅速破坏任何偶然形成的复杂有机分子。
研究指出，即使在最有利的环境条件下，比如深海热液喷口附近，生命起源仍然面临着信息组织的根本性挑战。虽然这些环境可能提供了必要的化学成分和能量梯度，但如何将这些成分组织成具有遗传信息和代谢功能的系统，仍然是一个未解的数学难题。
恩德雷斯特别强调了"信息集成"问题。生命系统不仅需要复杂的分子，还需要这些分子之间的精确相互作用。蛋白质必须与特定的DNA序列结合，酶必须催化特定的反应，细胞膜必须维持精确的选择透过性。这种多层次的功能整合所需的信息量，远远超过了随机过程在地球历史时间尺度内能够产生的范围。
现有起源理论的数学审视
“全种论”认为，像细菌这样的生物，连同其DNA，可以通过彗星等方式，穿越太空，到达包括地球在内的行星。“定向全种论”甚至暗示，这可能是外星人的杰作！图片来源：Silver Spoon Sokpop
传统的生命起源理论，如RNA世界假说和代谢优先假说，在恩德雷斯的数学分析下都显露出不足之处。RNA世界假说认为RNA分子既能储存遗传信息又能催化反应，因此可能是最早的生命形式。然而，恩德雷斯计算显示，即使是最短的具有催化活性的RNA分子，其随机形成的概率也极其微小。
更为严重的是，RNA分子在早期地球的化学环境中极不稳定。没有复杂的细胞机制保护，RNA会在短时间内水解分解。这创造了一个经典的"鸡与蛋"问题：RNA需要蛋白质来保护和复制，而蛋白质的合成又需要RNA提供遗传信息。
代谢优先假说试图通过强调自组织化学网络来规避这一问题，认为代谢反应网络可以在没有遗传物质的情况下自发形成并逐渐复杂化。但恩德雷斯的分析表明,即使是最简单的自催化反应网络，其维持和发展也需要精确的分子浓度控制和反应条件，这种精确性的自然出现同样面临概率上的困难。
近年来流行的"新陈代谢优先"理论，虽然在实验室中取得了一些进展，但在数学建模中仍然无法解决信息起源问题。这些实验通常需要研究人员精心设计的反应条件和纯化的试剂，远离早期地球的真实环境。
外星起源假说的科学考量
面对数学模型揭示的巨大困难，恩德雷斯在研究中谨慎地提到了定向胚种论的可能性。这一最初由DNA发现者弗朗西斯·克里克和化学家莱斯利·奥格尔提出的假说认为，地球生命可能起源于外星文明的有意播种。
从纯粹的数学角度来看，定向胚种论确实能够规避自然发生理论面临的概率困难。如果生命是由已经掌握复杂生物技术的外星文明创造并传播的，那么生命的高度复杂性就不再是一个统计学上的不可能事件。
然而，恩德雷斯也指出这种假说面临的问题。首先，它违背了奥卡姆剃刀原理，即在解释现象时应优先选择最简单的假设。更重要的是，它只是将生命起源的问题转移到了另一个星球，并没有真正解释生命最初是如何产生的。
现代天体生物学研究发现，宇宙中确实存在许多有机分子，包括氨基酸和核苷酸等生命的基本组成成分。陨石和彗星携带这些分子到达地球的可能性很高。但是，即使外太空为地球提供了生命的"原材料"，将这些材料组装成功能性生命系统仍然面临着恩德雷斯计算揭示的相同数学障碍。
未来研究的新方向
尽管恩德雷斯的研究揭示了生命起源的数学困难，但这并不意味着自然起源完全不可能。相反，这项工作为未来研究指出了新的方向：寻找能够有效降低信息复杂性障碍的自然机制。
一个重要的研究方向是量子效应在生物系统中的作用。近年来的研究发现，量子相干性在光合作用、酶催化甚至鸟类导航中都发挥重要作用。如果量子效应能够在分子自组装过程中提供某种"导向"机制，可能会显著提高复杂结构形成的概率。
另一个有前景的方向是研究临界相变现象。在物理系统接近临界点时，会出现长程有序和复杂图案的自发形成。如果早期地球的某些环境条件能够促进这种临界现象，可能为生命起源提供了必要的组织原则。
信息论本身也在不断发展。最新的研究表明，在某些开放系统中，信息的创建和传播可能遵循与封闭系统不同的规律。这些发现可能为理解生命起源提供新的数学工具。
恩德雷斯的研究最重要的贡献在于将生命起源问题转化为一个精确的数学问题。无论最终答案是什么，这种量化方法都将帮助科学家更好地理解生命现象的本质，以及我们在宇宙中的独特地位。
来源：人工智能学家