摘要：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）
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 T c ，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。
生物分子普遍具有单一手性，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 2 = [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。
RNA等复制分子面临错误阈值难题：突变率过高会导致信息丢失。准物种模型)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Qβ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。
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：
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。
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来源：小夭看天下