生命：有序与熵-生命是什么

我首先要回顾一下“压缩在微型代码中的多样内容”一节的内容，我解释了为什么从分子的角度描述基因能让我们相信，微型代码完全可以无比精确地编码极其复杂、特殊的发育计划，而且还能囊括这些计划的执行方案。那么，基因是如何做到这一点的呢？我们如何能够从“相信”变成真正理解这一点呢？

德尔布吕克的分子模型具有高度的不变性，似乎不包含关于遗传物质是如何发挥作用的线索。事实上，我也不指望物理学家能在不久的将来对这个问题提供任何详细的信息。这方面的进展只能来自在生理学和遗传学指导下的生物化学的发展。

显而易见，根据上面提到的对遗传物质结构如此笼统的描述，我们无法获得遗传机制运转的详细信息。但奇怪的是，我们能从这个模型中获得一个一般性结论，而且坦白地说，这正是我写这本书的唯一动力。

根据德尔布吕克对遗传物质的总体描述，我们能够得到的结论是，生物虽然并不遵循业已完善的“经典物理学定律”，但很有可能符合我们至今尚未完全弄明白的“其他物理学定律”，这些定律的面纱一旦被揭开，就会成为这个学科中和经典物理学一样完整且必需的理论。

这是一条相当微妙的思路，人们对其中不止一个方面产生了误解。本书其余篇幅都是为了澄清这一思路。通过下面的讨论我们可以形成一个较为初步的洞见，虽然粗浅，但未见得一无是处。

第一章我们解释了经典物理学定律其实是统计学意义上的定律。它们表明，事物有走向无序的自然倾向。但是，为了兼顾遗传物质的高度稳定性和微小的体积，我们不得不“发明分子模型”从而避免无序的倾向。事实上，这是一种大得不寻常的分子，它是高度分化的秩序的杰作，是受到量子理论魔法保护的。随机的定律并不会因为这项“发明”而失效，但是其结果是可以修正的。物理学家已经非常熟悉，经典物理学定律需要经过量子理论的修正，尤其是在低温条件下。这方面的例子有很多。生命现象似乎就是其中之一，而且是引人注目的一个例子。生命似乎是物质有序和有规律的行为，它并不是完全建立在从有序走向无序的倾向之上，而是部分依赖于现有的秩序和对秩序的维持。

对物理学家来说，而且仅对物理学家来说，我希望通过如下阐述能让我的观点更加清晰：生命有机体是一个宏观系统，这个系统的部分行为符合纯粹的力学定律（与热力学定律相对），随着温度接近绝对零度，分子的无规律运动逐渐消失时，所有系统都会趋向于这种行为。

非物理学家将普通物理学定律视为精确的、不容践踏的模范，而其竟然以物质会走向无序的统计学倾向为基础，这简直令人难以置信。在第一章当中我已经举了一些例子。这里涉及的一般原则是著名的热力学第二定律（熵增定律），以及同样著名的该定律的统计学基础。在接下来的内容中，我将尽力阐述熵增定律与生物的宏观行为之间的关系，暂时将我们对染色体、遗传等的认识放在一边。

生命的特征是什么？一块物体符合什么样的条件我们才能说它是有生命的呢？答案就是当它能够持续“做某些事情”、不断运动、与环境进行物质交换等等的时候，而且和没有生命的物质相比，它能够在类似的条件下“持续”更长时间。当没有生命的系统被分离出来，或放在一个均匀的环境当中时，所有的运动都会因为各种各样的摩擦力最终静止下来，化学势和电势的差会被抹平，倾向于形成化合物的物质会形成，热运动会让体系内外温度均匀一致。经过上述过程，整个系统会变成一团没有生命的惰性物体。它会达到稳定状态，在这种状态下不会发生可观察到的任何事件。物理学家将这种状态称为热力学平衡，或者“最大熵”。

实际上，这种状态往往会很快达成。理论上，这种状态往往并不是一个绝对意义上的平衡，也不是真正的最大熵。但是这之后要最终达到平衡的过程非常缓慢，可能要花几个小时、几年、几个世纪……举一个相对较快达成平衡状态的例子。假设我们把一个装满纯净水的玻璃杯和一个装满糖水的玻璃杯一起放进密闭、恒温的箱子里，最初看上去什么都没有发生，让我们产生整个系统已经达到平衡状态的印象。但是一天以后，你就会发现纯净水由于蒸气压较高，会慢慢蒸发，并在糖水上凝结。糖水会溢出来。只有当纯水彻底蒸发，糖才达到了均匀分布于所有液体水中的目的。这个最终缓慢达到平衡的过程是不可能被误认为生命现象的，我们在此可以不用理会。我提到它只是为了避免被指责表达不准确。

正是由于生物会避免迅速衰退到惰性的“平衡”状态，所以才显得神秘莫测，以至于很早以前，人类认为存在一些特殊的非物质或超自然作用力（也就是亚里士多德所说的生命的本原），驱动着生命的运转，有些人如今仍然相信这种说法。

生物是如何避免衰退的呢？最显而易见的答案是：通过吃饭、喝水、呼吸和（适用于植物）同化。生物学中表示这些过程的专业术语是新陈代谢（metabolism），其希腊词源的意思是改变或交换。最初这个词的潜在观点无疑是物质交换（比如，德语中新陈代谢一词为Stoffwechsel，其中stoff意为物质，wechsel的意思是交换）。物质交换是新陈代谢的本质这一观点是荒唐的。生物体内任何一个氮原子、氧原子、硫原子等都和它们同类的其他原子别无二致，交换这些东西有何意义呢？

有一段时间，我们以为自己是靠能量为生的，因而好奇心被扼杀了。在一些发达国家（我不记得是德国或是美国，还是两者都是），你能在餐厅里找到特别的菜单，上面除了写明每道菜的价格外，还写着每道菜的能量。不用说，如果你把这事儿当真了，那可就有点傻了。对于成年生物来说，其能量总量和物质总量都是稳定的。当然，每一个卡路里的能量都没有太大的差异，所以单纯进行能量交换也没有什么意义。

那么食物当中究竟有什么宝贵的东西能够防止我们走向死亡呢？这个问题很容易回答。每个过程、每个事件、每个活动——你可以用你喜欢的任何词来描述，总之自然界发生的一切都意味着发生事件的局部的熵在增加。因此，生物也在持续增加自己的熵，你也可以说生物在不断地产生正熵，因此也有接近危险的最大熵状态——也就是死亡——的倾向。生物之所以能避免发生这种事情，也就是生物之所以能一直活着，是因为它们能够不断从环境当中获得负熵。接下来我们会发现这一事件具有非常重要的意义。生物真正赖以维生的东西是负熵，或者用不那么自相矛盾的表述，新陈代谢的本质在于，生物能够成功地让自己免受其生命活动产生的熵的影响。(www.xing528.com)

首先，我必须强调的是，这并不是一个模糊的概念或观点，而是一个可测量的物理量，就像杆的长度、人体任何一个部位的温度、特定晶体的熔点温度，或特定物质的比热容。在绝对零度（大约-273℃）时，任何物质的熵都为零。当物质缓慢、不可逆转地一小步一小步地进入其他任何状态（即便在此过程中，物质的物理或化学性质会发生变化，或者分解成两个或两个以上具有不同物理或化学性质的部分），熵都会增加，其数量的计算方法是，用每个过程当中吸收的一小部分热量除以提供这些热量的绝对温度，再将它们加在一起。举个例子，当你熔化一个固体的时候，熵增加的数量等于熔化热除以熔点温度。通过这个例子你会发现，熵的单位是卡路里每开尔文^[1]（正如热量的单位是卡路里，或长度的单位是厘米一样）。

我提到这个术语的定义，只是为了去掉经常笼罩在熵这个概念周围的神秘色彩。对我们来说，更重要的是阐述这个统计学概念与有序和无序之间的关系，这个关系是玻耳兹曼和吉布斯在统计物理学研究过程中发现的。这也是一种明确的数量关系，其表达式为：

熵=klnD

其中k为玻尔兹曼常数（其数值为3.2983×10^-24 cal/℃），D代表物体当中原子无序性的数量测度。要用简洁的非术语准确解释D的意义是几乎不可能的。它代表的无序，一部分是由热运动造成的，一部分是因为不同原子或分子随机混合而不是整齐地分开造成的，比如上面提到的糖和水分子的例子。这个例子能很好地解释玻尔兹曼提出的方程。糖逐渐“分散”在所有水中的过程会导致无序性D的上升，因而（由于D的对数会随着D的增加而增加）熵也会增加。同样清楚的是，从外界吸收热量会导致热运动引起的混乱程度的提高，也就是说同样会使D增加，从而增加熵。晶体熔化的过程就是这样，在这个过程中摧毁了原子或分子稳定的排列方式，让晶格变成了不断变化的随机分布。

孤立系统或者在均一环境中的系统（我们尽量将它作为我们目前考虑的系统的一部分）的熵会增加，或快或慢地接近最大熵的惰性状态。现在我们认识到，这一物理学基础定律刚好就是万事万物向混乱状态靠近的自然倾向（就像书桌上的图书、成堆的论文和手稿会逐渐变乱的倾向一样），除非我们进行干预（在这个例子中，与无规律的热运动对应的行为就是，我们时不时会用到这些书籍、论文和手稿，却不会把它们放回到原来的位置上）。

我们如何用统计学理论的语言解释生物这个能延缓自身衰退进入热力学平衡（死亡）的神奇体系呢？我们之前说过：“生命以负熵为生。”也就是说它们会从外界源源不断地获取负熵，去抵消其生命行为产生的熵增加，这样才能让它稳定地维持在相对较低的熵水平上。如果D用来测量混乱程度，它的倒数1/D就能够作为直接衡量有序程度的量。1/D的对数就是D的负对数，我们就可以将玻尔兹曼提出的方程写成：

负熵=kln（1/D）

这样一来，我们之前提到的“负熵”这种笨拙的表达就可以用一种更好的方式替代了，即负熵本身衡量的是有序度。因此，生物稳定保持在较高的有序状态（熵较低的状态）的机制就是，持续不断地从环境当中获得秩序。这一结论乍看上去有点自相矛盾，不过仔细想想并非如此。相反，可能因为平凡而被指责。事实上，就高等动物而言，我们对其赖以维生的秩序非常熟悉，它们以复杂程度不一的有机化合物为食物，而食物本身就是非常有序的物质。这些食物经过消化吸收利用后，残渣被排出体外，当然它们并未被彻底分解，植物仍然可以利用这些残渣（当然，植物最强大的“负熵”来源是阳光）。

关于负熵的评述引来了物理学家的怀疑和反对。首先我想说，如果我只是为了迎合他们的话，就会让讨论转向自由能这个概念了，这个概念在物理学领域更为人所知。但是这个专业的术语在语言学上跟能量这个概念太接近，普通读者没办法区分。他很可能认为“自由”只是个修饰词，并不重要，而事实上，这个概念是比较复杂的，想要表述它和玻尔兹曼的有序-混乱原理的关系，不比熵表述和“负熵”容易，而且后者也不是我独创的表达方式。玻尔兹曼本来的论述中就已经出现了这样的表述。

但是F.西蒙非常中肯地向我指出，我简单论述的热力学原理，不能解释为什么我们必须吃那些“复杂度或高或低的、非常有序的有机化合物”，而不能靠吃木炭或钻石为生。他是对的。但是我必须向读者解释，在物理学家看来，一块没有燃烧的煤或者一颗钻石，连同其燃烧所需要的氧气在内，也是一种非常有序的状态。下面我将证明这一点：如果让煤燃烧起来，就会产生大量热。通过将热量释放到环境中，这个系统就能防止因为反应导致熵显著上升，并且达到了事实上熵值与之前差不多的状态。

但是我们不能以反应产生的二氧化碳为食。所以西蒙指出这一点是完全正确的，正如他所说，食物当中含有的能量其实并不是不重要的，所以我嘲笑菜单上标注食物热量是不恰当的。我们需要补充能量，不仅仅是因为我们的身体做动作需要消耗机械能，还因为我们在不断向环境中释放热能。我们释放热量也不是偶然的，而是必然的。我们正是通过这种方式，将我们生理活动过程中不断产生的多余的熵处理掉。

这似乎能够表明，恒温动物的体温之所以更高，是因为能够更快地排出身体当中产生的熵，因此它们也能进行更强烈的生命活动。我不确定这个论点在多大程度上符合实情（我对这些论点负责，与西蒙无关）。有的人可能会反对这种论点，因为很多恒温动物身体表面有皮毛或羽毛覆盖，能够避免热量快速散失。所以我认为体温和“生命强度”之间存在的对应关系，可以用范托夫定律直接解释：温度越高，生命活动中的各种化学反应的速度就越快（事实确实如此，在体温与环境温度一致的动物身上进行的实验证明了这一点）。

[1]标准单位应该是焦耳每开尔文。