流行的假设认为这归功于原始汤、一道闪电和一次巨大的运气。但如果一个引人深思的新理论是正确的，那么运气可能与此无关。相反，根据提出这一观点的物理学家的说法，生命的起源和随后的进化遵循自然的基本规律，“应该像石头滚下山一样不足为奇。”
从物理学的角度来看，生物和无生命的碳原子团之间存在一个本质区别：前者往往更擅长从环境中捕获能量并将这些能量以热量的形式散发出去。杰里米·英格兰，麻省理工学院一位 31 岁的助理教授，推导出一个他认为可以解释这种能力的数学公式。该公式基于已建立的物理学，表明当一组原子被外部能量源（如太阳或化学燃料）驱动，并被热浴（如海洋或大气）包围时，它通常会逐渐重组自身，以便散发出越来越多的能量。这可能意味着在某些条件下，物质会不可避免地获得与生命相关的关键物理属性。
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英格兰说：“你从一团随机的原子开始，如果你长时间照射光线，那么你得到一株植物应该不足为奇。”
英格兰的理论旨在作为达尔文自然选择进化论的基础，而不是取代它。达尔文的进化论有力地描述了基因和种群层面的生命。“我当然不是说达尔文的观点是错误的，”他解释道。“相反，我只是说，从物理学的角度来看，你可以将达尔文进化论称为更普遍现象的特殊情况。”
他的观点在最近的一篇论文中详细阐述，并在他于世界各地大学进行的演讲中进一步阐述，这引发了他的同事之间的争议，他们认为这要么是站不住脚的，要么是潜在的突破，或者两者兼而有之。
纽约大学物理学教授亚历山大·格罗斯伯格自英格兰的早期工作以来一直关注他的研究，他说英格兰迈出了“非常勇敢和非常重要的一步”。格罗斯伯格说，“最大的希望”是他已经确定了推动生命起源和进化的基本物理原理。
美国国立卫生研究院化学物理实验室的生物物理学家阿提拉·萨博在一次会议上与英格兰会面后，就他的理论与英格兰进行了交流，他说：“杰里米是我遇到的最聪明的年轻科学家之一。”“这些想法的原创性让我印象深刻。”
其他人，如哈佛大学化学、化学生物学和生物物理学教授叶夫根尼·沙赫诺维奇，则不这么认为。“杰里米的观点很有趣，并且具有潜在的前景，但在目前阶段，特别是应用于生命现象时，极具推测性，”沙赫诺维奇说。
英格兰的理论结果通常被认为是有效的。他的解释——他的公式代表了自然界中一类包括生命在内的现象背后的驱动力——仍然未经证实。但是，已经有一些关于如何在实验室中测试这种解释的想法。
哈佛大学物理学教授马拉·普伦蒂斯在了解了英格兰的工作后，正在考虑进行这样的实验，她说：“他正在尝试一些完全不同的东西。”“作为一个组织视角，我认为他的想法很棒。无论对错，它都非常值得研究。”
英格兰观点的核心是热力学第二定律，也称为熵增定律或“时间箭头”。热的东西会冷却，气体会在空气中扩散，鸡蛋会被打散但永远不会自发地复原；简而言之，随着时间的推移，能量往往会分散或扩散。熵是对这种趋势的衡量，量化了能量在系统中的粒子之间的分散程度，以及这些粒子在整个空间中的扩散程度。它随着概率的简单变化而增加：能量分散的方式比集中方式更多。因此，当系统中的粒子移动并相互作用时，它们会通过纯粹的偶然性，倾向于采用能量分散的构型。最终，系统达到最大熵状态，称为“热力学平衡”，其中能量均匀分布。例如，一杯咖啡和它所在的房间会达到相同的温度。只要咖啡和房间不受干扰，这个过程就是不可逆转的。咖啡永远不会自发地再次加热，因为房间的大部分能量随机集中在其原子中的可能性极低。
虽然在孤立或“封闭”系统中，熵必须随着时间推移而增加，但“开放”系统可以通过大大增加周围环境的熵来保持其低熵——即将能量不均匀地分配给其原子。在其 1944 年有影响力的专著《生命是什么？》中，著名量子物理学家埃尔温·薛定谔认为，这正是生物必须做的事情。例如，植物吸收能量极高的阳光，利用它来构建糖，并喷射红外光，这是一种浓度低得多的能量形式。在光合作用过程中，随着阳光消散，宇宙的整体熵会增加，即使植物通过保持有序的内部结构来防止自身衰变。
生命并没有违反热力学第二定律，但直到最近，物理学家还无法利用热力学来解释它为什么会首先出现。在薛定谔时代，他们只能求解处于平衡状态的封闭系统的热力学方程。在 20 世纪 60 年代，比利时物理学家伊利亚·普里戈金在预测受外部能量源弱驱动的开放系统的行为方面取得了进展（他因此获得了 1977 年的诺贝尔化学奖）。但是，无法预测远离平衡、与外部环境相连并受外部能量源强烈驱动的系统的行为。
这种情况在 20 世纪 90 年代末发生了变化，这主要归功于目前在马里兰大学的克里斯·贾辛斯基和目前在劳伦斯伯克利国家实验室的加文·克鲁克斯的工作。贾辛斯基和克鲁克斯证明，热力学过程（如一杯咖啡的冷却）产生的熵对应于一个简单的比率：原子将经历该过程的概率除以它们经历逆过程的概率（即，自发地相互作用，使咖啡变热）。随着熵产生的增加，这个比率也会增加：系统的行为变得越来越“不可逆转”。这个简单而严谨的公式原则上可以应用于任何热力学过程，无论它有多快或离平衡有多远。格罗斯伯格说：“我们对远离平衡的统计力学的理解大大提高了。”英格兰同时接受过生物化学和物理学方面的培训，他两年前在麻省理工学院建立了自己的实验室，并决定将统计物理学的新知识应用于生物学。
利用贾辛斯基和克鲁克斯的公式，他推导出了热力学第二定律的推广，该定律适用于具有某些特征的粒子系统：这些系统受到外部能量源（如电磁波）的强烈驱动，并且可以将热量倾泻到周围的热浴中。这类系统包括所有生物。然后，英格兰确定了这些系统如何随着时间的推移而演变，因为它们会增加不可逆性。“我们可以从公式中非常简单地证明，更可能的进化结果将是那些在到达那里的过程中从环境的外部驱动吸收和散发更多能量的结果，”他说。这个发现符合直觉：当粒子与驱动力共振，或朝着它推动的方向移动时，它们往往会散发更多的能量，而且它们在任何给定时刻都比其他任何方向都更有可能朝着这个方向移动。
英格兰解释说：“这意味着被某种温度的热浴（如大气或海洋）包围的原子团应该随着时间的推移，倾向于排列自身，以便与环境中机械、电磁或化学工作的来源更好地共振。”
自我复制（或生物学意义上的繁殖），这是推动地球生命进化的过程，是系统可能随着时间的推移散发出越来越多的能量的一种机制。正如英格兰所说，“散发更多能量的一个好方法是制造更多自己的副本。”在9 月发表在《化学物理学杂志》上的一篇论文中，他报告了 RNA 分子和细菌细胞自我复制过程中可能发生的理论最小耗散量，并表明它非常接近这些系统在复制时实际耗散的量。他还表明，RNA，这种许多科学家认为用作 DNA 生命前体的核酸，是一种特别廉价的建筑材料。他认为，一旦 RNA 出现，其“达尔文式接管”或许就不足为奇了。
原始汤的化学成分、随机突变、地理环境、灾难性事件和无数其他因素促成了地球上各种动植物的精细细节。但根据英格兰的理论，驱动整个过程的根本原则是物质的耗散驱动适应。
这一原则也适用于无生命的物质。“现在，将自然界中的哪些现象纳入耗散驱动的自适应组织的大范畴中，是非常值得推测的，”英格兰说。“很多例子可能就在我们眼前，但由于我们没有寻找它们，所以我们没有注意到它们。”
科学家已经在非生物系统中观察到自我复制。根据加州大学伯克利分校的菲利普·马库斯领导的新研究，以及 8 月在《物理评论快报》中报道的，湍流流体中的涡旋通过从周围流体的剪切中获取能量来自发地自我复制。在本周在《美国国家科学院院刊》上在线发表的一篇论文中，哈佛大学应用数学和物理学教授迈克尔·布伦纳和他的合作者提出了自我复制的微结构的理论模型和模拟。这些经过特殊涂层的微球簇通过将附近的球缠绕在一起形成相同的簇来耗散能量。“这与杰里米所说的非常相关，”布伦纳说。
除了自我复制，更强的结构组织是强驱动系统提高能量耗散能力的另一种手段。例如，一株植物比一堆无结构的碳原子更能有效地捕获和引导太阳能。因此，英格兰认为，在某些条件下，物质会自发地自我组织。这种趋势可以解释生物体内在的秩序以及许多无生命结构的秩序。“雪花、沙丘和湍流涡旋的共同点是，它们都是在某些耗散过程驱动下，在多粒子系统中出现的引人注目的图案结构，”他说。在这些特定情况下，凝聚、风和粘性阻力是相关的过程。
康奈尔大学的生物物理学家卡尔·弗兰克在电子邮件中说：“他让我觉得生物和非生物之间的界限并不明确。” “当考虑到像涉及少量生物分子的化学回路这样小的系统时，这个概念尤其让我印象深刻。”
英格兰的大胆想法很可能在未来几年面临严格的审查。他目前正在运行计算机模拟，以测试他的理论，即粒子系统会调整其结构，以更好地耗散能量。下一步将是对生物系统进行实验。
在哈佛大学经营一个实验生物物理实验室的普伦蒂斯说，英格兰的理论可以通过比较具有不同突变的细胞，并寻找细胞耗散的能量量与其复制率之间的相关性来检验。“必须小心，因为任何突变都可能做很多事情，”她说。“但是，如果人们在不同的系统上进行了许多此类实验，并且[耗散和复制成功]确实相关，那将表明这是正确的组织原则。”
布伦纳表示，他希望将英格兰的理论与他自己的微球结构联系起来，并确定该理论是否正确地预测了哪些自我复制和自组装过程可以发生——“这是一个科学中的基本问题，”他说。
许多研究人员表示，拥有一个关于生命和演化的总体原则将使研究人员对生物体中结构和功能的出现有更广阔的视角。牛津大学的生物物理学家阿德·路易斯在一封电子邮件中说：“自然选择并不能解释某些特征。” 这些特征包括一种称为甲基化的可遗传的基因表达变化，在没有自然选择的情况下复杂性的增加，以及路易斯最近研究的某些分子变化。
如果英格兰的方法经受住更多的测试，它可以进一步将生物学家从为每一个适应寻找达尔文式的解释中解放出来，并允许他们更普遍地从耗散驱动的组织的角度进行思考。例如，他们可能会发现，“一个生物体表现出特征 X 而不是 Y 的原因可能不是因为 X 比 Y 更适合，而是因为物理约束使 X 比 Y 更容易进化，”路易斯说。
普伦蒂斯说：“人们常常陷入思考个别问题。” 她说，无论英格兰的想法是否完全正确，“更广泛地思考是许多科学突破的发生之处。”
艾米丽·辛格做出了报道贡献。经Quanta 杂志许可转载，SimonsFoundation.org的一个编辑独立部门，其使命是通过报道数学以及物理和生命科学领域的研究进展和趋势，来提高公众对科学的理解。