流行的假設認為這歸功於原始湯、一道閃電和一次巨大的運氣。但如果一個引人深思的新理論是正確的，那麼運氣可能與此無關。相反，根據提出這一觀點的物理學家的說法，生命的起源和隨後的進化遵循自然的基本規律，“應該像石頭滾下山一樣不足為奇。”
從物理學的角度來看，生物和無生命的碳原子團之間存在一個本質區別：前者往往更擅長從環境中捕獲能量並將這些能量以熱量的形式散發出去。傑里米·英格蘭，麻省理工學院一位 31 歲的助理教授，推匯出一個他認為可以解釋這種能力的數學公式。該公式基於已建立的物理學，表明當一組原子被外部能量源（如太陽或化學燃料）驅動，並被熱浴（如海洋或大氣）包圍時，它通常會逐漸重組自身，以便散發出越來越多的能量。這可能意味著在某些條件下，物質會不可避免地獲得與生命相關的關鍵物理屬性。
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英格蘭說：“你從一團隨機的原子開始，如果你長時間照射光線，那麼你得到一株植物應該不足為奇。”
英格蘭的理論旨在作為達爾文自然選擇進化論的基礎，而不是取代它。達爾文的進化論有力地描述了基因和種群層面的生命。“我當然不是說達爾文的觀點是錯誤的，”他解釋道。“相反，我只是說，從物理學的角度來看，你可以將達爾文進化論稱為更普遍現象的特殊情況。”
他的觀點在最近的一篇論文中詳細闡述，並在他於世界各地大學進行的演講中進一步闡述，這引發了他的同事之間的爭議，他們認為這要麼是站不住腳的，要麼是潛在的突破，或者兩者兼而有之。
紐約大學物理學教授亞歷山大·格羅斯伯格自英格蘭的早期工作以來一直關注他的研究，他說英格蘭邁出了“非常勇敢和非常重要的一步”。格羅斯伯格說，“最大的希望”是他已經確定了推動生命起源和進化的基本物理原理。
美國國立衛生研究院化學物理實驗室的生物物理學家阿提拉·薩博在一次會議上與英格蘭會面後，就他的理論與英格蘭進行了交流，他說：“傑里米是我遇到的最聰明的年輕科學家之一。”“這些想法的原創性讓我印象深刻。”
其他人，如哈佛大學化學、化學生物學和生物物理學教授葉夫根尼·沙赫諾維奇，則不這麼認為。“傑里米的觀點很有趣，並且具有潛在的前景，但在目前階段，特別是應用於生命現象時，極具推測性，”沙赫諾維奇說。
英格蘭的理論結果通常被認為是有效的。他的解釋——他的公式代表了自然界中一類包括生命在內的現象背後的驅動力——仍然未經證實。但是，已經有一些關於如何在實驗室中測試這種解釋的想法。
哈佛大學物理學教授馬拉·普倫蒂斯在瞭解了英格蘭的工作後，正在考慮進行這樣的實驗，她說：“他正在嘗試一些完全不同的東西。”“作為一個組織視角，我認為他的想法很棒。無論對錯，它都非常值得研究。”
英格蘭觀點的核心是熱力學第二定律，也稱為熵增定律或“時間箭頭”。熱的東西會冷卻，氣體會在空氣中擴散，雞蛋會被打散但永遠不會自發地復原；簡而言之，隨著時間的推移，能量往往會分散或擴散。熵是對這種趨勢的衡量，量化了能量在系統中的粒子之間的分散程度，以及這些粒子在整個空間中的擴散程度。它隨著機率的簡單變化而增加：能量分散的方式比集中方式更多。因此，當系統中的粒子移動並相互作用時，它們會透過純粹的偶然性，傾向於採用能量分散的構型。最終，系統達到最大熵狀態，稱為“熱力學平衡”，其中能量均勻分佈。例如，一杯咖啡和它所在的房間會達到相同的溫度。只要咖啡和房間不受干擾，這個過程就是不可逆轉的。咖啡永遠不會自發地再次加熱，因為房間的大部分能量隨機集中在其原子中的可能性極低。
雖然在孤立或“封閉”系統中，熵必須隨著時間推移而增加，但“開放”系統可以透過大大增加周圍環境的熵來保持其低熵——即將能量不均勻地分配給其原子。在其 1944 年有影響力的專著《生命是什麼？》中，著名量子物理學家埃爾溫·薛定諤認為，這正是生物必須做的事情。例如，植物吸收能量極高的陽光，利用它來構建糖，並噴射紅外光，這是一種濃度低得多的能量形式。在光合作用過程中，隨著陽光消散，宇宙的整體熵會增加，即使植物透過保持有序的內部結構來防止自身衰變。
生命並沒有違反熱力學第二定律，但直到最近，物理學家還無法利用熱力學來解釋它為什麼會首先出現。在薛定諤時代，他們只能求解處於平衡狀態的封閉系統的熱力學方程。在 20 世紀 60 年代，比利時物理學家伊利亞·普里戈金在預測受外部能量源弱驅動的開放系統的行為方面取得了進展（他因此獲得了 1977 年的諾貝爾化學獎）。但是，無法預測遠離平衡、與外部環境相連並受外部能量源強烈驅動的系統的行為。
這種情況在 20 世紀 90 年代末發生了變化，這主要歸功於目前在馬里蘭大學的克里斯·賈辛斯基和目前在勞倫斯伯克利國家實驗室的加文·克魯克斯的工作。賈辛斯基和克魯克斯證明，熱力學過程（如一杯咖啡的冷卻）產生的熵對應於一個簡單的比率：原子將經歷該過程的機率除以它們經歷逆過程的機率（即，自發地相互作用，使咖啡變熱）。隨著熵產生的增加，這個比率也會增加：系統的行為變得越來越“不可逆轉”。這個簡單而嚴謹的公式原則上可以應用於任何熱力學過程，無論它有多快或離平衡有多遠。格羅斯伯格說：“我們對遠離平衡的統計力學的理解大大提高了。”英格蘭同時接受過生物化學和物理學方面的培訓，他兩年前在麻省理工學院建立了自己的實驗室，並決定將統計物理學的新知識應用於生物學。
利用賈辛斯基和克魯克斯的公式，他推匯出了熱力學第二定律的推廣，該定律適用於具有某些特徵的粒子系統：這些系統受到外部能量源（如電磁波）的強烈驅動，並且可以將熱量傾瀉到周圍的熱浴中。這類系統包括所有生物。然後，英格蘭確定了這些系統如何隨著時間的推移而演變，因為它們會增加不可逆性。“我們可以從公式中非常簡單地證明，更可能的進化結果將是那些在到達那裡的過程中從環境的外部驅動吸收和散發更多能量的結果，”他說。這個發現符合直覺：當粒子與驅動力共振，或朝著它推動的方向移動時，它們往往會散發更多的能量，而且它們在任何給定時刻都比其他任何方向都更有可能朝著這個方向移動。
英格蘭解釋說：“這意味著被某種溫度的熱浴（如大氣或海洋）包圍的原子團應該隨著時間的推移，傾向於排列自身，以便與環境中機械、電磁或化學工作的來源更好地共振。”
自我複製（或生物學意義上的繁殖），這是推動地球生命進化的過程，是系統可能隨著時間的推移散發出越來越多的能量的一種機制。正如英格蘭所說，“散發更多能量的一個好方法是製造更多自己的副本。”在9 月發表在《化學物理學雜誌》上的一篇論文中，他報告了 RNA 分子和細菌細胞自我複製過程中可能發生的理論最小耗散量，並表明它非常接近這些系統在複製時實際耗散的量。他還表明，RNA，這種許多科學家認為用作 DNA 生命前體的核酸，是一種特別廉價的建築材料。他認為，一旦 RNA 出現，其“達爾文式接管”或許就不足為奇了。
原始湯的化學成分、隨機突變、地理環境、災難性事件和無數其他因素促成了地球上各種動植物的精細細節。但根據英格蘭的理論，驅動整個過程的根本原則是物質的耗散驅動適應。
這一原則也適用於無生命的物質。“現在，將自然界中的哪些現象納入耗散驅動的自適應組織的大範疇中，是非常值得推測的，”英格蘭說。“很多例子可能就在我們眼前，但由於我們沒有尋找它們，所以我們沒有注意到它們。”
科學家已經在非生物系統中觀察到自我複製。根據加州大學伯克利分校的菲利普·馬庫斯領導的新研究，以及 8 月在《物理評論快報》中報道的，湍流流體中的渦旋透過從周圍流體的剪下中獲取能量來自發地自我複製。在本週在《美國國家科學院院刊》上線上發表的一篇論文中，哈佛大學應用數學和物理學教授邁克爾·布倫納和他的合作者提出了自我複製的微結構的理論模型和模擬。這些經過特殊塗層的微球簇透過將附近的球纏繞在一起形成相同的簇來耗散能量。“這與傑里米所說的非常相關，”布倫納說。
除了自我複製，更強的結構組織是強驅動系統提高能量耗散能力的另一種手段。例如，一株植物比一堆無結構的碳原子更能有效地捕獲和引導太陽能。因此，英格蘭認為，在某些條件下，物質會自發地自我組織。這種趨勢可以解釋生物體內在的秩序以及許多無生命結構的秩序。“雪花、沙丘和湍流渦旋的共同點是，它們都是在某些耗散過程驅動下，在多粒子系統中出現的引人注目的圖案結構，”他說。在這些特定情況下，凝聚、風和粘性阻力是相關的過程。
康奈爾大學的生物物理學家卡爾·弗蘭克在電子郵件中說：“他讓我覺得生物和非生物之間的界限並不明確。” “當考慮到像涉及少量生物分子的化學回路這樣小的系統時，這個概念尤其讓我印象深刻。”
英格蘭的大膽想法很可能在未來幾年面臨嚴格的審查。他目前正在執行計算機模擬，以測試他的理論，即粒子系統會調整其結構，以更好地耗散能量。下一步將是對生物系統進行實驗。
在哈佛大學經營一個實驗生物物理實驗室的普倫蒂斯說，英格蘭的理論可以透過比較具有不同突變的細胞，並尋找細胞耗散的能量量與其複製率之間的相關性來檢驗。“必須小心，因為任何突變都可能做很多事情，”她說。“但是，如果人們在不同的系統上進行了許多此類實驗，並且[耗散和複製成功]確實相關，那將表明這是正確的組織原則。”
布倫納表示，他希望將英格蘭的理論與他自己的微球結構聯絡起來，並確定該理論是否正確地預測了哪些自我複製和自組裝過程可以發生——“這是一個科學中的基本問題，”他說。
許多研究人員表示，擁有一個關於生命和演化的總體原則將使研究人員對生物體中結構和功能的出現有更廣闊的視角。牛津大學的生物物理學家阿德·路易斯在一封電子郵件中說：“自然選擇並不能解釋某些特徵。” 這些特徵包括一種稱為甲基化的可遺傳的基因表達變化，在沒有自然選擇的情況下複雜性的增加，以及路易斯最近研究的某些分子變化。
如果英格蘭的方法經受住更多的測試，它可以進一步將生物學家從為每一個適應尋找達爾文式的解釋中解放出來，並允許他們更普遍地從耗散驅動的組織的角度進行思考。例如，他們可能會發現，“一個生物體表現出特徵 X 而不是 Y 的原因可能不是因為 X 比 Y 更適合，而是因為物理約束使 X 比 Y 更容易進化，”路易斯說。
普倫蒂斯說：“人們常常陷入思考個別問題。” 她說，無論英格蘭的想法是否完全正確，“更廣泛地思考是許多科學突破的發生之處。”
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