新的“组装理论”统一物理学和生物学来解释进化和复杂性！

人类周围的一切，包括我们自己，都是由基本粒子之间的物理相互作用产生的。但是，由于物理学没有任何关于功能的概念，它无法将生物学的核心功能特征与随机波动区分开来。蛋白质的复杂结构就是一个很好的例子。

此外，物理定律是永恒的，不受历史事件的影响，因此不能用来描述物种过去的进化如何影响其现在和未来。

基于此，亚利桑那州立大学Sara I. Walker教授与格拉斯哥大学Leroy Cronin合作，提出新的组装理论来填补这一空白，为统一描述物理学和生物学中的进化选择提供了一个框架。有了这个理论，人们可以开始缩小还原论物理学和达尔文进化论之间的差距——这是朝着统一惰性物质和生命物质的基础理论迈出的重要一步。值得一提的是，这项研究建立在该团队之前开发组装理论的工作基础上，作为一种经过经验验证的生命探测方法，对寻找外星生命和在实验室中进化新生命形式的努力具有影响。相关论文以“Assembly theory explains and quantifies selection and evolution”为题，发表在最新一期Nature，Abhishek Sharma, Dániel Czégel为本文共同一作。

【组装理论】

传统上，物体是由构成物体的材料颗粒来定义的。然而，在组装中，物体并不被视为点粒子（如大多数物理学中那样），而是由其形成的历史定义为一种内在属性，并映射为一个组装空间。组装空间被定义为一个给定物体从基本构件中构建出来的路径，只使用递归操作。就最短路径而言，组装空间捕捉到了最小记忆，即根据过去可能存在的物体构建观察物体所需的最小步骤数。

详细而言，组装理论通过“组装空间”中可能的形成历史来定义对象，在“组装空间”中，对象是通过将基本构建块递归地连接在一起以形成新结构而制成的。

在之前的工作中，研究小组根据构建一个分子所需的最少成键步骤数，为分子分配了一个称为分子组装指数的复杂性分数。他们展示了这一指数如何通过实验进行测量，以及高数值如何与生命分子相关联。

图 1. 组装索引和最短路径

在本文中，作者利用两个变量建立了一个他们称之为 "组装 "的量，这两个变量分别是：拷贝数，即一个物体在组装中的拷贝数；组装指数，即产生一个物体所需的最少步骤数。这两个变量结合在一起，就能得出一个等式，确定产生一个对象组装所需的选择量。

生物物体组合的一个特点是多重可实现性，即生物进化可以产生功能等同的物体类别，并在许多不同的环境中模块化地使用单元。对每个单元而言，最小组合都是独一无二的，且独立于其形成过程，因此在如何构建它方面具有多重可实现性。突出的是，这项新研究围绕"组装"的物理量引入了数学形式主义，该物理量可根据一组复杂物体的丰度和组装指数来捕捉产生这些物体所需的选择程度。

图 2. 组装空间的选择

图 3. 组装空间

作者的主要论点是，从无选择到有选择的转变--例如当无生命的物质变成有生命的物质时发生的转变--以数学上可定义的方式改变了组装空间中的路径，这就体现在这个等式中。从本质上讲，具有高复制数的高组装指数物体就是选择的证据。有两个时间尺度决定了组装过程的动态：新的、独特的物体形成的速度，以及这些物体存在后被复制的速度。如果这两个时间尺度之间的关系使得资源可以用于复制更多的现有对象，那么就会出现选择。

图 4. 正向组装过程中的无向和定向探索

【概念验证】

值得一提的是，可以通过实验确定分子的组装指数，从而对理论计算进行检验。作者举例说明了分子过程的组装路径，包括聚合物链的联合组装空间和酶催化的过程，以及选择产生高复杂性组装的空间。作者指出，组装理论巧妙地将物理学（使组装成为可能的过程）与生物选择（决定实际实现的效果）结合起来，从而能够将新颖性的生成和选择纳入复杂物体的物理学中。

图 5. 组装空间的选择和演变

【意义与局限】

技术也会在当时已有的基础上不断发展。虽然本文提到了这一点，但没有详细阐述。值得研究的是，组装理论是否可以描述这种选择，从而对创新程度进行量化。在此类应用中隐含着一个令人头疼的问题--代理--生物控制自身行动并决定下一步行动的能力。这是所有技术存在的基础，但这种能力也很难用物理学的传统公式来解释。组装理论本身并不涉及这个问题，但关键的一点是，在智能行动成为可能之后，组装路径的种类也会发生根本性的变化。

其次，作者仅在分子尺度上深入开发了该想法在生物过程中的应用。一个关键问题是它是否可以有效地扩展到解释出现的生物层次中其他层次的运作——细胞器、细胞、组织、器官、生物体、生物体群体、生态系统，以及最终的整个生物圈。未来，组装指数、拷贝数和组装空间路径等概念在多大程度上可以有效地应用于如此复杂的环境，例如基因调控网络如何发挥控制蛋白质合成的功能。

来源：高分子科学前沿

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