生命是什麼 · 第六章 有序、無序和熵67

身體不能決定心靈去思考，心靈也不能決定身體去運動、靜止或從事其他活動。 ——斯賓諾莎，《倫理學》，第三部分，命題2 54.從模型得出的一個值得注意的一般結論 讓我引用第46節最後一句話，當時我試圖說明，基因的分子圖使我們至少可以設想，「微型密碼精確對應於一個極為複雜的特定的發育計劃，並且包含著使密碼起作用的途徑」。那麼，它是如何做到這一點的呢？我們如何從「可以設想」轉變為真正理解呢？ 德爾布呂克的分子模型因其完全的一般性，似乎沒有暗示遺傳物質是如何起作用的。事實上，我並不指望物理學能在不久的將來對這個問題提供任何詳細信息。在生理學和遺傳學指導下的生物化學正在推進這個問題的研究，我相信這種推進還會繼續。 根據上述對遺傳物質結構的一般描述，顯然還無法給出關於遺傳機制如何運作的詳細信息。但很奇怪，由此恰恰可以得出一個一般性的結論，我承認，這正是我寫這本書的唯一動機。68 從德爾布呂克對遺傳物質的一般描述可以看出，生命物質雖然遵循業已確立的「物理定律」，但可能還涉及尚不為人所知的「其他物理定律」，這些定律一旦被揭示出來，將和以前的定律一樣，成為這門科學必不可少的組成部分。 55.基於秩序的秩序 這種思路相當微妙，在不止一個方面容易招致誤解。本書餘下的部分就是要澄清這一思路。由以下思考可以看出一種粗淺但並不完全錯誤的初步見解： 第一章已經說明，我們所知道的物理定律全都是統計學定律。 注22 它們與事物走向無序狀態的自然傾向密切相關。 然而，要使遺傳物質的高度持久性與它的微小尺寸協調一致，就必須通過「發明分子」來避免無序的傾向。事實上，這種分子大得異乎尋常，必定是高度分化的秩序的傑作，受到了量子論魔法的保護。機會的法則並沒有因這種「發明」而失效，只是結果被修改了。物理學家都知道，經典物理學定律已經被量子論修改了，尤其是低溫情況下。這樣的例子有很多。生命似乎就是其中一例，而且特別引人注目。生命似乎是物質的有序和有規律的行為，它不是完全基於從有序走向無序的傾向，而是部分基於得到保持的現存秩序。 對於物理學家——僅僅是對他——來說，我希望這樣來澄清我的觀點：生命有機體似乎是一個宏觀系統，它的一部分行為接近於純機械行為（與熱力學行為相反），隨著溫度趨近絕對零度，分子的無序被消除，所有系統都將趨向於這種行為。69 非物理學家覺得很難相信，被他視為高度精確之典範的日常物理定律，竟然以物質走向無序狀態的統計學傾向為基礎。我在第一章已經舉過例子。其中涉及的一般原理就是著名的熱力學第二定律（熵原理）及其同樣著名的統計學基礎。我將在第56到60節中簡要概述熵原理對生命有機體宏觀行為的意義——請暫時忘掉關於染色體、遺傳等等所了解的一切。 56.生命物質避免了向平衡衰退 生命的典型特徵是什麼？一塊物質什麼時候可以說是活的呢？回答是當它繼續「做某種事情」，運動，與環境交換物質等等的時候，而且可以指望它比無生命物質在類似情況下「持續下去」的時間要長得多。當一個不是活的系統被孤立出來或者被置於均勻的環境中時，由於各種摩擦力的影響，所有運動通常都很快靜止下來；電勢或化學勢的差別消失了，傾向於形成化合物的物質也是如此，溫度因熱傳導而變得均一。此後，整個系統逐漸衰退成一塊死寂的、惰性的物質，達到一種持久不變的狀態，可觀察的事件不再出現。物理學家把這種狀態稱為熱力學平衡或「最大熵」。 實際上，這種狀態通常很快就會達到。從理論上講，它往往還不是一種絕對平衡，還不是真正的最大熵。但最後趨近平衡的過程非常緩慢，可能是幾小時、幾年、幾個世紀……。舉個趨近平衡還算比較快的例子：倘若一隻玻璃杯盛滿清水，第二隻玻璃杯盛滿糖水，把它們放入一個密封的恆溫箱中。起初好像什麼也沒有發生，產生了完全平衡的印象。但過了一天左右的時間，可以發現清水由於蒸汽壓較高，慢慢蒸發出來並凝聚在糖溶液上。糖溶液溢出來了。只有當清水全部蒸發後，糖才實現了均勻分布於所有水中的目的。70 絕不能誤把這類最終緩慢趨向平衡的過程當作生命，這裡可以不去理會。我提到它只是為了避免有人指責我不夠準確。 57.以「負熵」為生 有機體能夠避免很快衰退為惰性的「平衡」態，這似乎成了難解之謎，以至於從很早的時候開始，人類就曾聲稱有某種特殊的非物理的或超自然的力（「活力」，「隱得來希」）在有機體中起作用，現在仍然有人這樣主張。 生命有機體是如何避免衰退的呢？一個顯而易見的回答是：通過吃、喝、呼吸以及（植物的）同化。專業術語叫「新陳代謝」（metabolism）。這個詞來自希臘詞μεταβάλλειν，意為「變化」或「交換」。交換什麼呢？最初的基本觀點無疑是物質交換（例如，新陳代謝所對應的德文詞Stoffwechsel的字面含義就是物質交換）。認為物質交換應該是本質性的，這種看法是荒謬的。任何一個氮原子、氧原子、硫原子等等和其他任何一個氮原子、氧原子、硫原子都是一樣的，交換它們能得到什麼呢？曾有人對我們說，我們是以能量為生的，這暫時平息了我們的好奇心。在一些發達國家（我記不清是德國還是美國，或者兩個國家都是）的飯館裡，你會發現菜單上除價目外還標明了每道菜的能量含量。不用說，這實在很荒唐。對於一個成年有機體來說，能量含量和物質含量一樣都是固定不變的。既然任何一個卡路里與其他任何一個卡路里的價值是一樣的，我們確實看不出單純的交換有什麼用處。71 那麼，我們的食物中到底含有什麼寶貴的東西使我們能夠免於死亡呢？這個問題很容易回答。每一個過程、事件、偶然發生的事——無論叫它什麼，簡言之，自然界中正在發生的一切，都意味著它在其中發生的那部分世界的熵的增加。因此，生命有機體在不斷增加自己的熵——或者可以說是在產生正熵——從而趨向於危險的最大熵狀態，那就是死亡。要想擺脫死亡或者活著，只有從環境中不斷吸取負熵——我們很快就會明白，負熵是非常正面的東西。有機體正是以負熵為生的。或者不那麼悖謬地說，新陳代謝的本質是使有機體成功消除了它活著時不得不產生的所有熵。 58.熵是什麼？ 熵是什麼？我首先要強調，這並不是一種模糊的概念或觀念，而是一個可測量的物理量，就像棍棒的長度，物體上任何一點的溫度，某種晶體的熔化熱，或者某種物質的比熱那樣。溫度處於絕對零度時（約為-273℃），任何物質的熵都是零。如果通過緩慢而可逆的微小步驟使物質進入另一種狀態（即使物質因此而改變了物理性質或化學性質，或者分裂成兩個或兩個以上物理或化學性質不同的部分），則熵增的量可以這樣計算：用過程的每一小步必須提供的熱量除以提供熱量時的絕對溫度，再把所有這些小的貢獻加起來。舉一個例子，當你熔化一種固體時，其熵增就是熔化熱除以熔點溫度。由此可以看出，測量熵的單位是卡/℃（就像卡是熱量的單位或厘米是長度的單位一樣）。72 59.熵的統計學意義 我提到熵這個術語的專業定義，只不過是為了驅除經常籠罩在它周圍的神秘氣氛。這裡對我們來說更重要的是熵對於有序和無序這一統計學概念的意義，玻爾茲曼和吉布斯（Gibbs）在統計物理學方面的研究已經揭示了它們之間的關係。這也是一種精確的定量關係，可以表達為： 熵=klogD 其中k是所謂的玻爾茲曼常數（=3.2983×10-24 卡/℃），D是對相關物體原子無序性的定量量度。用簡短的非專業術語對D這個量做出精確的解釋幾乎是不可能的。它所表示的無序，一部分是熱運動的無序，另一部分則來自隨機混合而不是清楚分開的不同種類的原子或分子，例如前引例子中的糖和水分子。這個例子可以很好地說明玻爾茲曼方程。糖逐漸「擴散」於所有水中就增加了無序性D，從而增加了熵（因為D的對數隨著D的增加而增加）。同樣清楚的是，提供任何熱量都會增加熱運動的混亂，也就是說增加了D，從而增加了熵。為什麼是這樣呢？看看下面的例子就會清楚了：當你熔化一種晶體時，你破壞了原子或分子整齊而持久的排列，把晶格變成了一種連續變化的隨機分布。 一個孤立系統或處於均勻環境中的系統（為了目前的研究，最好把環境作為我們考慮的系統的一部分）的熵在增加，並且或快或慢地接近於最大熵的惰性狀態。我們現在認識到，這個基本的物理學定律正是，除非我們事先避免，否則事物會自然趨向於混亂狀態（這種傾向等同於圖書館的書籍或寫字檯上堆放的紙張手稿所表現出的傾向。在這種情況下，與不規則的熱運動相類似的是，我們時不時去拿那些圖書和稿件，卻沒有費心把它們放到合適的地方。）73 60.從環境中吸取「秩序」來維持組織 如何通過統計學理論來表達生命有機體推遲趨向熱力學平衡（死亡）的衰退的奇妙能力呢？我們在前面說過：「以負熵為生」。生命有機體仿佛是把負熵之流引向自身，以抵消它在生活中產生的熵增，從而使其自身維持在穩定的低熵水平上。 假定D是對無序的度量，其倒數1/D可以被看成對有序的一個直接度量。由於1/D的對數恰好是D的對數的負值，所以玻爾茲曼方程可以寫成： －（熵）=klog（1/D） 因此，「負熵」這一笨拙表達可以換成一種更好的說法：取負號的熵是對有序的一種量度。於是，一個有機體使自身穩定在較高有序水平（等於較低的熵的水平）的策略其實在於從其環境中不斷吸取秩序。這一結論並沒有像它初看起來那樣悖謬，但可能會因為平凡而受到責難。事實上，我們很清楚高等動物賴以為生的這種秩序，亦即給它們充當食物的較為複雜的有機化合物中那種極為有序的物質狀態。利用這些食物之後，動物返還的是大大降解的東西——不過不是完全降解，因為植物仍然可以利用它。（當然，植物從日光中獲得了最大的「負熵」供應。）74 關於第六章的注 關於 負熵 的說法遭到過物理學家同事的懷疑和反對。我首先要說，如果只是為了迎合他們，我就會轉而討論 自由能 了。在這一語境中，它是更為人所熟知的概念。但這個十分專業的術語在語言學上似乎與 能量 太過接近，致使一般讀者無法察覺兩者的區別。他可能會把「自由」理解成沒有多大關係的一個修飾詞。然而實際上，這是一個相當複雜的概念，要找出它與玻爾茲曼的有序-無序原理的關係，並不見得比用熵和「帶負號的熵」（順便說一句，熵和負熵並不是我的發明）來得更容易。它恰好是玻爾茲曼最初論證的關鍵。 但西蒙（F.Simon）非常中肯地向我指出，我那些簡單的熱力學思考還不能說明，我們賴以為生的為什麼是「較為複雜的有機化合物中那種極為有序狀態」下的物質，而不是木炭或金剛石礦漿。他是對的。但我必須向普通讀者解釋一下，正如物理學家所知道的，一塊沒有燒過的煤或金剛石連同燃燒時所需的氧，也處於一種極為有序的狀態。對此的證明是，煤在燃燒過程中會產生大量的熱。通過把熱散發到周圍環境中，系統就處理掉了因反應而引起的大量熵增，並且達到了與以前大致相同的熵的狀態。 然而，我們無法以反應生成的二氧化碳為生。所以西蒙非常正確地向我指出，我們食物中所含的能量的確很重要；因此，我對菜單標明食物能量的嘲笑是不適當的。不僅我們身體消耗的機械能需要補充能量，我們向周圍環境不斷散發熱也需要補充能量。我們散發熱不是偶然的，而是必不可少的。因為我們正是以這種方式處理掉了我們物質生命過程中不斷產生的多餘的熵。 這似乎暗示，溫血動物的較高體溫有利於較快地除去熵，因此能夠產生更強烈的生命過程。我不敢肯定這一論證中有多少正確的成分（對此應該負責的是我，而不是西蒙）。人們可以反對說，有許多溫血動物都用皮毛來防止熱的迅速散失。因此，我相信存在的體溫與「生命強度」之間的平行也許可以用第50節末尾提到的范特霍夫定律來更直接地解釋：較高溫度本身加速了生命活動中的化學反應。（事實確是如此，這在以周圍環境溫度為體溫的物種身上已經有了實驗驗證）75