當今世界人們使用大約6,800種不同的語言。不是每個詞都能在不同的語言之間完美地翻譯，意義有時會落入語義的裂縫。例如，日語詞wabi-sabi（侘寂，或殘缺之美）沒有對應的英語單詞；同理還有德語詞 Waldeinsamkeit（在樹林里獨處之孤寂感）。
不同的科學領域也是語言，科學解釋有時只是翻譯。例如，“紅色”是“620-750納米波長”的翻譯。“溫度”是“一組粒子的平均速度”的翻譯。翻譯越復雜，其賦予的意義越多 。“引力”是指“時空的幾何”。
那么生命呢？我們一看到生物就知道什么是生命。達爾文的理論甚至解釋了一種生命形式是如何演化成另一種形式的。但是，知更鳥和巖石之間的區別到底是什么？兩者不是都服從同樣的物理規律嗎？換句話說，用物理學的語言如何翻譯“生命”？有些人認為，這個詞是不可譯的。但也許它只是需要正確的譯者，例如Jeremy England，34歲的麻省理工學院物理學助理教授。兩種太陽能機器：樹和太陽能電池板都能吸收和轉換太陽能，并將熱量釋放到周圍的環境中。物理學家如何解釋為什么只有樹是生命體呢?Jeremy England創立了一種稱為“耗散適應”的新理論，據稱有助于解釋復雜的、類生命的功能如何能夠從簡單、甚至無生命的物質中自組織和涌現。這一理論為England贏得了一個不受歡迎的綽號：下一個達爾文。“我認為觀察分子是如何實現功能是非常奇妙的，”Jeremy說。我們來看看DNA聚合酶。在生物學里，其功能是將核苷酸組合成新的DNA分子，而核苷酸是由堿基、糖和磷酸組成的。“當你了解這個過程時，會覺得一切似乎都很有意義，參與者似乎正在合力實現一個目標。”England說。“然而，這些東西與無機物幾乎沒什么區別。你把它們打碎成更小的片段看看，它們只會旋轉和振動。
England在哈佛大學讀本科時，與生物物理學家Eugen Shakhnovich合作研究蛋白質折疊。每個蛋白質由相同的20個氨基酸組成。然而，一旦被折疊成形，每個蛋白質就開始執行生命所需的特定功能。“氨基酸不會給你寫十四行詩，”英格蘭說。“但是當你把幾百個字符串在一起，突然你就得到了一臺似乎有特定的目的的機器。
維特根斯坦認為，一個詞的含義取決于它的上下文，上下文由使用它的人決定
這些茫然轉動的齒輪，不知何故就出現了目的。單個組件看起來都服從基本的物理學規律，但合在一起后就產生了功能。在物理世界里，似乎沒有功能這種東西：時間和空間就是時間和空間，不是為了任何明確的理由而存在。而在生物學中，系統是為行動而生的， 它們會移動、催化和合成。“功能”將生命與非生命區分開來；這個單詞是只被我們用來形容有生命之物，還是有其他的內涵？England在2014年瑞典的卡羅林斯卡學院的演講中告訴聽眾，物理學沒有區分生命與非生命， 但生物學卻有區分。
在獲得博士后，England是普林斯頓大學的研究員，他有時會開車到紐約去找學哲學的發小玩。朋友會把England帶到熟悉的下東區，與他長時間的談論哲學家路德維希·維特根斯坦。
所謂的Waldeinsamkeit，在這里他研究了所謂的“語言游戲”，即一套關于溝通的公約。一些哲學家認為，一個詞的含義系于外部世界的實體。然而，維特根斯坦認為，一個詞的意義取決于由使用者決定的的上下文。玩語言游戲就像用密碼說話 ——如果對話的兩個人都非常了解他們所參與的活動場景，他們可以用更少、更簡單的單詞來交流。不同群體的人——音樂家、政治家、科學家——都早玩符合各自需求的語言游戲。新的語言游戲不斷涌現。意義在變遷，詞語隨之變遷。“維特根斯坦的這一想法我在其他地方也有發現，例如希伯來圣經的開篇，”England說。
“起初，神創造天地...” 這里，希伯來詞的“創造” 是bara、“天” 是shamayim 、“地” 是aretz；但它們的真正意義，England說，只有在下文的語境里才最終浮現。例如，bara或創造，是給事物命名的過程；創世就是創造一種語言游戲。“神說，要有光，就有了光。”神通過說出光的名字創造了光。“我們對這句話太熟悉了，以至于當我們真正開始思考這句話的時候，很容易忽略它最簡單的含義，”England說。“我們這樣稱呼光，才有了讓我們看見這個世界的光。” England認為，如果你想用物理語言來描述生物學，這是非常重要的一點。
作為麻省理工學院的年輕教員，England 既不想停止研究生物學，也不打算放棄思考理論物理學。“這兩件事使用的語言完全不同，如果你兩個都不想放棄，你就必須得去翻譯。” England說。
在猶太傳統中，“奇跡”不一定是違背自然規律的。奇跡沒有那么宏偉——相反，奇跡是一種以前被認為是不可想象的現象。見證奇跡者需要重新定義之前的假設來化解矛盾，他們必須開始用新的角度審視這個世界。對于精通統計力學的物理學家來說，生命就是這樣一個奇跡。熱力學第二定律表明，對于封閉系統——如箱中的氣體或整個宇宙——混亂度會隨時間增加。雪會融化成一灘水，但一灘水不會自發的變成雪花的形狀。如果你真的看到一灘水變成了雪花，你肯定以為你正在看一場電影的回放，如同時間倒流一樣。在熱力學第二定律下，大量粒子的群體行為具有不可逆性，所以我們才會有“過去”、“現在”和“未來”這樣的詞匯。
時間的箭頭總是指向無序的方向。然而，生命的箭頭卻指向相反的方向。簡單無聊的種子成長為結構復雜的花，從無生命的地球中生長出茂密的叢林。為什么掌控著“生命”原子的規則與掌控宇宙中其他原子的規則有如此巨大的差異呢？
1944年，物理學家薛定諤在其著作《生命是什么？》(What is Life?)中試圖解釋這個問題。他意識到，箱子里的氣體是封閉系統，而生命體是開放系統。也就是說，生命體允許自身和周邊環境之間發生能量轉化。生命在維持內部秩序的同時將熱量釋放到環境中，這樣宇宙的熵整體增加了，熱力學第二定律仍然成立。
與此同時，薛定諤發現了第二個謎團。他認為，產生時間箭頭的機制與產生生命之箭的機制截然不同。時間的箭頭來自大樣本的統計——當你有足夠多混亂無序的原子時，無序的組合總是比有序的組合多很多，因此它們產生有序狀態的機會是零。但對生命而言，即使在微觀的尺度，秩序和不可逆性仍然存在，組成生命的原子數量要少得多。在這個數量級上，原子的數量不夠大，遠不足在統計上形成如熱力學第二定律這樣的規律。例如，生命的基本組成單位、RNA和DNA的構成單位——核苷酸，僅由30個原子組成。盡管如此，薛定諤發現，遺傳密碼的保存能力好得不可思議，有時能延續百萬世代，“其持久力已經近乎奇跡”。
那么基因如何抗衰減？脆弱的分子為何不會土崩瓦解？這其中一定有比統計更深奧的原理在發揮作用，使得少量的原子能夠不可逆轉的自發啟動，成為鮮活的生命。
薛定諤之后半個世紀，英國化學家Gavin Crooks第一次用數學描述了微觀不可逆性。Crooks于1999年發布的一個公式說明，由外部能量驅動的小型開放系統只要不斷耗散自身能量，就能發生不可逆的改變。
想象你站在一道柵欄前面。你想去另一邊，但柵欄太高跳不過去。一個朋友遞給你一個彈簧高蹺，你可以用它跳過去然后再跳回來。彈簧高蹺這樣的外部能量源能讓你產生可逆的變化。
再想象下，這次你的朋友給你一個噴氣背包而不是彈簧高蹺。你點燃噴氣背包越過柵欄。當你越過柵欄時，噴氣背包將消耗燃料并將能量釋放到周圍的空氣里，因此當你著陸時，你的噴氣背包已沒有足夠的能量讓你越過柵欄回到原地。你只能留在柵欄的另一邊，你的變化是不可逆的。
Crooks表明，一組原子可以通過外部能量改變自身的構造——就像跳過柵欄一樣。如果原子在變化的同時耗散能量，則變化可能是不可逆的。他們可以利用下一次能量爆發轉變回來，但有時也會轉變到一個全新的狀態，就這樣通過能量耗散進行一步又一步的轉變。能量耗散不能確保不可逆性，但不可逆性一定有能量耗散。
Crooks的結論具有普適性，適用于任何離開平衡態的系統，包括生命體。不過，England認為，“對于大而雜亂、有大量能量耗散的多體系統而言，結論可能需要更加謹慎。結論似乎沒錯，但計算上可能很難操作。” 2013年在加州理工學院演講期間，England在酒店房間里不斷演算Crooks的公式。從Crooks公式可以推導出，要獲得生命標志性的不可逆性，系統必須有特別好的吸熱和散熱能力。但England知道事實不止于此。
“這就像一直在原點附近打轉，”他說。“有時候我把問題放下去睡覺，就能想到不同的東西。當你回來的時候，會發現墻上多了一個缺口。”
England終于想到了答案。在能量源一定的情況下，原子的一些特定排列能比其他排列更好的吸收和消耗能量，因此更容易完成不可逆的轉變。隨著時間流逝，如果一些系統變得特別適合這一過程，這一系列不可逆的轉變就會變成一種獨立運作的合成作用。England動筆寫下一個考慮了系統的耗散歷史的熱力學第二定律推廣式，他認為這解釋了生命結構和功能的起源。在去年年底的一篇文章中，他這樣解釋道：
雖然系統的變化大多是隨機的，但最持久、不可逆的改變都發生在系統正好能較好的吸收和耗散能量時。隨著時間的推移，系統優先“記住”了這些相對不可逆的變化，于是系統會越來越多的采用類似于歷史上發生耗散時的構型。如果我們回顧這種非平衡過程，會發現這種結構似乎自我組織成一種“適應”環境條件的狀態。這種現象就是耗散適應。
當然，原子系統并不是有目的性的——它只是盲目、隨機的不斷調整。在從一種形態變化到另一種形態的過程中原子系統經歷了一系列的化學變化并最終自發組織成某種形態，這看起來就是“適應”。維特根斯坦說：“語言是一座路徑的迷宮。”對England來說，這次的翻譯似乎是正確的。在物理學的語言中，“生命”是什么？England稱之為“耗散適應”。
盡管耗散適應讓我們聽起來像一座座太陽的冷卻塔，但這一理論的內涵遠不止于此。達爾文式自然選擇變成了廣義的耗散適應現象的一個特例，如同一種語言中的方言。耗散適應發生在微觀尺度上，自然選擇則發生在宏觀世界的自我復制器中，而自我復制是消耗和耗散能量的絕佳方式。在耗散適應的語言中，“適應度”(fitness)一詞有了新的意義。Northeastern大學物理學助理教授Meni Wanunu認為：“在耗散適應中，適應度并不是根據一系列最優功能來定義的，而是系統與環境中可用能量的”給予和接受“關系。系統消耗能量并沿著不可逆的方向漂移，因之而變得“特殊”，但并非是完美或理想的形態。“鳥類并不是飛行的最佳選擇，”England說，“但就飛行而言，鳥類比石頭或蠕蟲強多了。”
這一理論使我們不得不重新思考使生命變得如此特別的那些不尋常的功能。在不借助外界強力作用的前提下，復雜的功能從相互間只有微弱作用的粒子集合中涌現，這一過程現在可以分解成由外部驅動的一系列小型不可逆變化。蛋白質和酶這類物質比我們想象的更容易出現。“我們可能并不需要從億萬個自我復制的氨基酸序列中精確的挑出候選者，” England說。“自組織的時間尺度可能比我們想象的更快。如果我們能夠說服自己，生命的起源看起來更像一段斜坡或樓梯，大量的微小變化將其引向正確的方向，那么這至少可能完全改變我們思考生命起源場景的方向。”
該理論不僅幫助我們回顧過去，還能帶來新的設計和工程學方法。“如果只是想模仿生命體做的某件事情，而非模擬生命體本身，要做的事情可能要少很多。”一個可能的例子是England實驗室正在研究的“突現計算”(emergent computation)，其目標是在不接收任何設計指令的情況下，使粒子系統演化出預測自身環境變化的能力。畢竟在波動的環境中良好地吸收和耗散能量需要一定程度的預測能力。England認為：“如果我們能成功地做到這一點，那么意味著系統中的粒子以某種方式進行了交互，能夠根據過去的統計數據有效實施關于未來的計算。這可能會影響基于預測能力的技術，從神經網絡到預測機票價格的程序。
這就是翻譯的神奇力量。如果實驗能成功，將是耗散適應理論的最好證明。Wanunu對此仍持保留態度：“England提出了一套新的想法，但還需要實驗驗證。“哈佛大學系統生物學副教授 Jeremy Gunawardena也不是完全認同這一理論：“Jeremy希望避開化學，將生命的涌現完全看成一種物理必然。我并不信服。不過，我高興看到他在試圖解決這個問題，我相信我們會從中學到很多有趣的東西。”
這么說是公平的。畢竟，按照Umberto Eco的說法，“翻譯是失敗的藝術”。這次全新的翻譯是否會失敗仍未可知。最終，可能不會只有一種語言能表達生命的復雜性，England只是希望我們嘗試一種新的語言。在去年的《評論》雜志中他這樣寫道：“描述這個世界的語言不止一種，上帝希望人們掌握所有的這些語言。”IEEE Spectrum
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