宇宙演化中的能量变化，是否是生命存在的关键？

我们知道宇宙一开始并没有类似生命的物质。在大爆炸之后，宇宙中甚至还没有原子！从炽热而稠密的原始物质和辐射，到第一批原子，并产生一切，从非生命到生命，我们已经掌握了演化过程中的许多步骤，今天我们就从宇宙的开始到生命的诞生，看下能量的变化是怎样给我们带来这一切的！

无论有什么？首先要有中性原子，

宇宙的早期温度超过了2000亿开尔文，最早的夸克和胶子构成了原始等离子汤，随着宇宙膨胀和冷却，夸克和胶子紧密地结合在一起，在短时间内衰变为我们更熟悉的质子和中子。从能量上讲，夸克和胶子以质子和中子的形式结合在一起，形成了一个在低能量下更稳定的结构。

随着宇宙继续膨胀和冷却，同样的结合过程仍在继续。

当温度降到不足以电离原子核时，质子和中子就会结合在一起形成更重更稳定的原子核，如果此时有足够的活化能（能量和密度），原子核会在这个时候继续融合成更重，更稳定的元素！

事实上，此时形成氦-4已经是这个时候融合元素的极限了，因为宇宙冷却和膨胀的速度太快了，没有没够的时间去融合元素！

但随着能量的继续降低，宇宙中的粒子有了另一种结合更紧密的方式：原子核和电子可以结合在一起，宇宙第一次形成了中性原子。

这里需要知道的是，只有当宇宙足够冷的时候，原子核和电子才能结合，如果能量太高，中性原子会被高能光子电离成离子和电子，只有当周围的辐射、温度、粒子能量低于电子与原子核的结合能时，宇宙才会得到中性原子。

通过这一系列的过程，我们不难发现，很多过程是自发发生的，一旦周围的能量降到某个阈值以下，物质就会以较低的能量状态被束缚在一起。

而有些过程就需要一定量的“活化能”才能越过某个阈值，从而导致物质总体上处于更稳定的状态。

我们再继续往下看：

随着能量的变化，宇宙中的所有元素都趋向于进入一个更稳定的状态

当中性原子形成以后，宇宙继续膨胀、冷却，当气体云的辐射压力不足以抵抗引力的时候，引力会将原始气体云凝聚成一团，这也是自发“凝聚”的一个例子。

在这之后，密度最大的区域在足够高的温度和密度下积累了大量的物质，从而引发核聚变，融合出了越来越重的元素，这又是一个需要“活化能”的例子。

但最终，我们得到的产物比宇宙开始时的反应物结合得更紧密、更丰富、更复杂。而这一切都是在我们已知的物理定律下进行的！

随着时间的推移，最重的恒星变成了超新星将自己一生的成果抛洒到了星际空间中，这时星际介质就富含了元素周期表中的所有原子（铁以后的重元素，大多来自中子星的碰撞），元素以各种方式结合在一起形成分子，这个过程也是从简单到一些非常复杂的分子。

现在我们应该发现了一个现象，宇宙从最初的状态开始所发生的一系列过程，其实就是能量变化的过程，在这些过程中的每一步，我们都进入了一个更有利的能量状态。

在所有情况下，能量变化在某种程度上看起来像下面的曲线之一。

现在丰富的元素形成了，元素也能自发的形成复杂的分子。那么，我们还缺失了最关键的一大步？

我们可以从亚原子粒子到原子成分，从质子、中子和电子到原子，从原子到元素周期表上的所有元素，从所有元素到各种各样的分子，但在某种程度上，我们还缺失了最关键最神秘的一大步。

我觉得你应该想到了这一步是什么？非生命的元素变成生命。

人们普遍认为，要么生命起源于地球历史的早期；要么比这个更早，在地球形成之前的宇宙中就诞生了生命的种子。

地球上只要出现了生命，无论它最初是什么样子的，达尔文式的进化论：突变、有限的资源和自然选择；肯定能让第一个掌握了自我复制的生物体，演化出这个星球上物种的广泛性和多样性。

但这不是一个基本的解释，它没有告诉我们这些变化背后的机制是如何发生的，为什么会发生，或者驱动这些变化的物理过程是什么。

在很多方面，很难在生命和非生命之间划上界限。有很多不存在生命的东西展现出我们在思考生命时通常会想到的特性。例如：自我复制。

自我复制并不是生命特有的属性，晶体很显然没有生命，但从岩石到冰，晶体结构会自我复制。在分子水平上球体团簇也具有这样的特性！

也许更令人惊讶的是，涡旋也可以，这是流体流动的一个简单例子!

然而，这些东西都不是我们认为的像病毒或细菌那样具有生命。但是在物理学中物质会按照一定的结构进行自我复制！麻省理工学院的物理学家杰里米·英格兰(Jeremy England)认为，同样的物理学原理可能是我们最后缺失的那一大步！

热力学作用下的生命过程？

这一切都基于能量的微小变化，物理学家称之为热力学作用下的生命过程。其基本思想是，如果取一堆（随便什么）原子、分子等等，随着时间的推移，并且给这个系统施加一个微小可变的能量，这些原子、分子最终会自发的振动到一个更紧密的束缚状态。

那么在生命的原始汤里，在太阳光的照射下是否能让这些无关的元素自发的形成更大的分子结构？

同样的道理，对一罐混合坚果进行轻微但前后不一致的摇晃，最终会让最大的坚果留在顶部，最小的坚果留在底部，从而进入一种更稳定的能量和结构配置。

从宇宙发展的整体进程来看，杰里米所说的生命起源的物理原理也许是真实的。但可以肯定地是，这不是生命起源和进化地全部。

举两个简单地例子，进化并不总是往最有利方向去发展，或者说进化会在生物身上出现最好地解决方案！

轮子对于各种应用来说，将能大大提高效率。但是我们并没有进化出类似于轮子这样地前进方式，包括在自然界地动物身上都没有出现过。

就我们所知，世界上所有的植物都一直依赖同两种分子来收集和储存来自太阳的能量：叶绿素A和叶绿素B。但这两个在自然界并不是唯一能够储存太阳能甚至进行光合作用的分子，因为有些细菌可以利用其他分子来实现光合作用。我们知道太阳光谱在绿色/黄色中达到峰值，而叶绿素A和叶绿素B都只吸收蓝光和红光，却反射绿色/黄色！

但是不能仅仅因为一种理论不能支配一切，就认为它不是对生命起源的解释。正如哈佛大学教授尤金·沙克诺维奇所说;

“杰里米的想法很有创造力，也很有潜力，尤其是在应用于生命现象时，他的想法非常具有参考性。”

这很有可能的，但目前还没有定论。在我们找到自然生命圣杯之前，我们还无法回答，这些元素是怎样从非生命中创造生命的！所以我们仍然不知道生命存在的原因和方式。

我们现在已经在实验室中产生了糖和氨基酸等物质。换句话说，就是有机分子，生命的基石！关于生命起源实验的研究已经深入到可以产生像腺嘌呤这样的分子，腺嘌呤是DNA和RNA的基石之一。但是这些都还不是具有生命的物质，相信在不久的将来，我们一定能知道：非生命到生命的过程！