新陈代谢：20世纪的物理学与自组织系统学观念

在马克思恩格斯时代自然科学关于新陈代谢的认识基础上，20世纪的认识有了哪些新的进展？

（一）新陈代谢：20世纪上半叶薛定谔等量子力学创始人的认识

继相对论之后，20世纪物理学发生了另一大革命量子力学。随着1913年玻尔原子结构的革命性发现，使得关心原子与人的生命关系的物理学家完全可能向生物学跨界。对于出身于哥本哈根大学生理学教授克里斯丁·玻尔之家的尼耳斯·玻尔、对于受植物学家父亲影响的薛定谔而言，这个方向甚至是一种必然。薛定谔在《自传》中说：“他（指其父）开始了对植物学的兴趣，而我也如饥似渴地读完了《物种起源》……我很快成为达尔文理论的热情的追随者（至今仍是）。”^[39]1944年，薛定谔以“一个朴素的物理学家关于有机体的观点”探讨了生命是什么：“生命有机体是怎样避免衰退到平衡的呢？显然是靠吃、喝、呼吸以及（植物的）同化。专门的术语叫‘新陈代谢’。这词来源于希腊字μεταβáλλεωιν（注：原文如此），意思是变化或交换。交换什么呢？最初，无疑是指物质的交换（例如，新陈代谢这个词在德文里就是指物质的交换）。”^[40]而“有机体的活动需要精确的物理学定律，只有在无数原子的合作中，统计学定律才开始影响和控制这些集合体（系统）的行为，它的精确性随着系统包含的原子数目的增加而增加”。^[41]这里已经明确提出了超越单个原子来考察无数原子整体即系统的思想，受薛定谔的启发和影响，克里克从物理学改行与生物学博士沃森合作，提出DNA双螺旋结构，开启了分子生物学时代。

但是如此大范围内的跨界认识依然存在着基本的矛盾，就是斯诺所说的两种文化即自然科学与人文社会科学的矛盾还存在着理论鸿沟。

事实上，在斯诺之前自然科学界内部已经意识到这个问题了。卡尔纳普（Carnap）说：“爱因斯坦有一次说过，‘现在’的问题使他十分烦恼。他解释道，‘现在’的经验意味着某种对人来说是特殊的东西，某种在实质上不同于过去和未来的东西，但是这个重要的差别没有也不可能发生在物理学中。这个经验不能被科学所抓住，这对他来说是一件痛苦而又无法避免的憾事。我认为，一切客观上发生的东西都能在科学中得到描述；一方面，物理学中描述了事件的时间序列；另一方面，人类对于时间的经验的特殊性，包括人类对待过去、现在和未来的不同态度，可以在心理学中得到描述和（原则上的）解释。但爱因斯坦却想，这些科学的描述不可能满足人类的需要；有某些关于‘现在’的本质东西刚好是在科学王国之外。”^[42]不论是牛顿力学还是相对论或量子力学，它们的运动方程对时间反演都是不变的，所描述的世界模式关于时间是对称的，而热力学与生物学所描述的世界模式里时间是有方向的，即时间之矢，世界的过去、现在和未来是不一样的，世界是演化的。两种世界模式存在的矛盾即时间无方向性和有方向性、时间对称性与非对称性、过程可逆与不可逆之间的矛盾，具体地分成两个：一个是物理学内部经典力学与热力学之间的矛盾，被形象地称为牛顿与克劳修斯之间的矛盾，普里高津称为引力与热之间的竞争。统计物理热力学所描述的演化，是朝着均匀、单一、简单方向的演化，由对称性较少的状态向对称性较多的状态演化，世界最终达到平衡态，走向死亡，即恩格斯也曾提到的热寂状态。另一个是物理学与生物学之间，被形象地称为克劳修斯与达尔文之间的矛盾。生物学描述的世界模式演化是最终产生会思维的人类本身。^[43]

那么这两个矛盾是如何解决的呢？

（二）新陈代谢：20世纪中后叶自组织系统学奠定的基础

普里高津把上述矛盾也称为有时间性的主体与一个从内部看是无时间的客体世界之间的对立。以他为代表的布鲁塞尔学派，经过近20年的努力，于1969年提出了耗散结构论。这个理论认为，复杂系统在开放和远离平衡态的条件下，在与外界环境交换物质和能量过程中，通过能量耗散过程和内部的非线性动态学机制，形成和维持了一种宏观时空有序结构，这就是耗散结构。非平衡非线性系统，即自组织系统，耗散结构论开启了自组织系统理论，跨越无机界内部、也跨越无机界与有机界，用非平衡非线性的自组织系统建立起物理现象与生物现象之间的联系，两个基本矛盾得到初步的解决。而协同学认为，远离平衡的系统中发生的相变即非平衡相变，子系统之间协同运动的序参量一旦生成，系统内子系统之间的协同运动占据了主导地位，就能生成宏观有序的系统。解决了耗散结构论未能解决的目的性问题，从根本上回答了稳固与目的性的关系，解释了从微观无序到宏观有序的过程。而超循环论较好地解决了非生命的耗散结构系统向生命过渡的自组织问题，加上此前20世纪30年代苏联生物化学家奥巴林为代表的化学进化论，解决了从无机分子到有机分子的化学进化问题，也就是原始生命的起源问题。^[44]至此，能量、亚原子的基本粒子、单个的原子、分子、基因、蛋白质，从无机物到有机界的最高产物——人的全部自然过程，大的理论环节得到了最为完整的提示。(www.xing528.com)

（三）生物的新陈代谢：多层次耗散结构复合而成的开放系统

随着自组织系统理论的发展，生命现象与新陈代谢的本质联系得以揭示。不论是属于物理系统的热力学系统、还是生物系统，都是耗散结构，只是层次不同。生命是经过长期演化，由低到高多层次耗散结构复合而成的系统，具有开放性特征，为了维持自身的存在，生物需要与环境不断地交换能量。这个过程就是生物的新陈代谢。恩格斯在《反杜林论》中所说的“本身即使没有生命也可以发生”的新陈代谢，以及“用来解释生命的那种独特的新陈代谢本身又需要用生命来解释”^[45]。这样一种循环论证或同义反复的现象不存在了，新陈代谢的内涵已经大大丰富和扩展了。

在新陈代谢中，植物、藻类和某些细菌，在可见光的照射下，利用光合色素，将二氧化碳（或硫化氢）和水等无机物转化为复杂的有机物，并释放出氧气（或氢气），储存能量，来维持自身生命活动的进行，成为能直接从外界环境摄取无机物的自养型新陈代谢，而人和动物等异养型新陈代谢，依靠摄取外界环境中现成的有机物来维持自身的生命活动，作为所有生命活动的能量来源的太阳能，^[46]通过植物的光合作用进入生态系统，从绿色植物转移到各种消费者，形成了单向流动和逐级递减的生态系统能量流动。这就是植物的光合作用。光合作用于是成了地球上最重要的化学作用。

作为生物的人自然也不例外，也是物理意义上的热力学系统与较高层次的生物系统组成的复合系统。人不论处于什么样的状态，即使像植物人没有了自主活动，但只要活着，都是处于环境中的开放系统。例如人体每时每刻都以电磁波为主的辐射形式向环境排放体热，也就是释放能量。人类关于自身的新陈代谢已经有了很多实际应用。例如，用基础代谢率作为标准，来衡量人处在清醒而又非常安静、不受肌肉活动、环境温度、食物及精神紧张等因素影响时的基础状态，具体数量值定义为单位时间内即每小时每平方米体表所散发的热量千焦数。同一性别、体重和年龄组的正常人中基础代谢率很接近。用能量代谢率、相对代谢率评价劳动强度指标。

人的能量代谢量＝安静代谢量＋作业代谢量，经过简单的变换，定义相对代谢率（RMR）＝（能量代谢量－安静代谢量）／基础代谢量。^[47]

表1　变量定义与说明

图2