摘要
在我们的生物圈中，生命出现的过程涉及若干关键事件，这些事件使得分子系统得以持续存在、自我复制和进化。所有这些过程都在特定的环境背景下发生，并且需要分子多样性以及恰当的非平衡条件，以维持并促进能够通过自然选择进化的复杂自维持分子网络。生命是一种在多个方面有别于非生命的过程，不能简化为标准的化学反应。此外，达到更高的复杂性水平需要新事物的出现。这是如何发生的呢？在此，我们回顾了与生命早期起源相关的不同案例研究，从相变和分岔的角度出发，将对称性破缺和渗流作为两个核心要素。我们讨论了一些简单的模型，这些模型有助于理解生命起源的关键步骤，例如分子手性、向第一批复制子（replicators）和合作子（cooperators）的转变、错误阈值和信息丢失的问题，以及作为生命出现基础的 " 无秩序 "（order for free）的潜力。
关键词：生命起源，相变，分岔，对称性破缺，渗流，准物种（quasispecies），超循环（hypercycles）、分子手性
论文题目：Bifurcations and Phase Transitions in the Origins of Life
发表时间：2025 年 4 月 14 日
论文地址：https://arxiv.org/abs/2504.08492
生命的起源是科学史上最深刻的谜题之一。从非生命物质到活细胞的转变需要一系列关键事件：分子多样性的产生、自我维持的化学反应网络，以及自然选择驱动的演化能力。然而，这些过程如何在早期地球的混沌环境中涌现？最新研究提出，相变（phase transitions）和分岔（bifurcations）的数学框架，可能是解开生命起源之谜的钥匙。近期，一篇预印本综述论文，通过对称性破缺、渗流等物理概念，揭示生命起源中分子手性、复制子演化、自催化循环等关键步骤的普适规律。
相变建模：从统计物理到分岔理论
相变是物质状态的根本转变，如水结冰或磁体失磁。统计物理学通过伊辛模型（Ising model）描述这类现象：微观单元（如原子自旋）的局域相互作用，在临界温度下引发宏观有序态（如磁化）。有趣的是，这种相变可通过平均场理论简化为低维动力系统，例如磁化强度 M 随温度变化的方程：
当温度 T 低于临界值 Tc ，系统自发选择两种对称有序态之一（磁化向上或向下），即对称性破缺。这种路径依赖的偶然性，与生命起源中分子手性的单向选择高度相似。
图 1. 动力系统中分岔的相变。
手性对称性破缺：生命的左手与右手
生物分子（如氨基酸和糖）普遍具有单一手性（L 型或 D 型），但化学合成通常产生等量混合物。如何打破对称性？弗兰克模型（Frank model）给出了答案：假设两种手性分子 x1 = [ D ] 和 x2 = [ L ] 能催化自身合成并抑制对方，其动力学方程：
x2 的解与其对称，三个固定点分别是 0，1 和 0.5。其中中间态（x=0.5）不稳定，系统必然偏向某一手性。这一过程与磁体相变类似，微小扰动（如陨石携带的 L 型氨基酸偏倚）即可被非线性效应放大，形成 " 冻结的偶然事件 "。
图 2. 对称性破缺和同手性的起源。
复制子与准物种：错误阈值的生存游戏
RNA 等复制分子面临错误阈值（error threshold）难题：突变率过高会导致信息丢失。准物种模型（quasispecies model）揭示，复制子的最大基因组长度 ( ν ) 与突变率满足（μ b），其中 α 为尺度因子：
当突变率超过临界值，主序列消失，种群陷入 " 遗传漂变 "（图 3）。实验证实，RNA 病毒（如 Q β 噬菌体）的突变率恰好接近此阈值，在演化可塑性与稳定性间走钢丝。
图 3. 突变自复制系统的错误阈值。
自催化与渗流：循环网络的涌现
单一复制子难以突破复杂度极限，而超循环（hypercycles）通过合作打破瓶颈。例如，两分子相互催化时，有动力学方程：
其中 x1，x2 是它们的相对丰度，在催化强度 ( Γ ) 超过竞争效应时，系统从 " 赢家通吃 " 转为共存相。类似地，渗流理论（percolation）表明，随机化学反应网络在连接度达到临界值时，必然涌现自催化循环（如甲醛聚糖反应），为原始代谢提供基石。
相变视角下的生命起源：必然还是偶然？
生命起源的三大里程碑——手性均一化、信息稳定传递、代谢网络形成，均可视为动力学相变。这些临界点既受物理定律约束，又依赖种种历史偶然性。这可能提示我们，生命的出现并非 " 奇迹 "，而是复杂系统在非平衡条件下自发有序化的必然结果。
彭晨 | 编译
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