第六章 有序、无序和熵67

    身体不能决定心灵去思考，心灵也不能决定身体去运动、静止或从事其他活动。


    ——斯宾诺莎，《伦理学》，第三部分，命题2


    54.从模型得出的一个值得注意的一般结论


    让我引用第46节最后一句话，当时我试图说明，基因的分子图使我们至少可以设想，“微型密码精确对应于一个极为复杂的特定的发育计划，并且包含着使密码起作用的途径”。那么，它是如何做到这一点的呢？我们如何从“可以设想”转变为真正理解呢？


    德尔布吕克的分子模型因其完全的一般性，似乎没有暗示遗传物质是如何起作用的。事实上，我并不指望物理学能在不久的将来对这个问题提供任何详细信息。在生理学和遗传学指导下的生物化学正在推进这个问题的研究，我相信这种推进还会继续。


    根据上述对遗传物质结构的一般描述，显然还无法给出关于遗传机制如何运作的详细信息。但很奇怪，由此恰恰可以得出一个一般性的结论，我承认，这正是我写这本书的唯一动机。68


    从德尔布吕克对遗传物质的一般描述可以看出，生命物质虽然遵循业已确立的“物理定律”，但可能还涉及尚不为人所知的“其他物理定律”，这些定律一旦被揭示出来，将和以前的定律一样，成为这门科学必不可少的组成部分。


    55.基于秩序的秩序


    这种思路相当微妙，在不止一个方面容易招致误解。本书余下的部分就是要澄清这一思路。由以下思考可以看出一种粗浅但并不完全错误的初步见解：


    第一章已经说明，我们所知道的物理定律全都是统计学定律。 注22 它们与事物走向无序状态的自然倾向密切相关。


    然而，要使遗传物质的高度持久性与它的微小尺寸协调一致，就必须通过“发明分子”来避免无序的倾向。事实上，这种分子大得异乎寻常，必定是高度分化的秩序的杰作，受到了量子论魔法的保护。机会的法则并没有因这种“发明”而失效，只是结果被修改了。物理学家都知道，经典物理学定律已经被量子论修改了，尤其是低温情况下。这样的例子有很多。生命似乎就是其中一例，而且特别引人注目。生命似乎是物质的有序和有规律的行为，它不是完全基于从有序走向无序的倾向，而是部分基于得到保持的现存秩序。


    对于物理学家——仅仅是对他——来说，我希望这样来澄清我的观点：生命有机体似乎是一个宏观系统，它的一部分行为接近于纯机械行为（与热力学行为相反），随着温度趋近绝对零度，分子的无序被消除，所有系统都将趋向于这种行为。69


    非物理学家觉得很难相信，被他视为高度精确之典范的日常物理定律，竟然以物质走向无序状态的统计学倾向为基础。我在第一章已经举过例子。其中涉及的一般原理就是著名的热力学第二定律（熵原理）及其同样著名的统计学基础。我将在第56到60节中简要概述熵原理对生命有机体宏观行为的意义——请暂时忘掉关于染色体、遗传等等所了解的一切。


    56.生命物质避免了向平衡衰退


    生命的典型特征是什么？一块物质什么时候可以说是活的呢？回答是当它继续“做某种事情”，运动，与环境交换物质等等的时候，而且可以指望它比无生命物质在类似情况下“持续下去”的时间要长得多。当一个不是活的系统被孤立出来或者被置于均匀的环境中时，由于各种摩擦力的影响，所有运动通常都很快静止下来；电势或化学势的差别消失了，倾向于形成化合物的物质也是如此，温度因热传导而变得均一。此后，整个系统逐渐衰退成一块死寂的、惰性的物质，达到一种持久不变的状态，可观察的事件不再出现。物理学家把这种状态称为热力学平衡或“最大熵”。


    实际上，这种状态通常很快就会达到。从理论上讲，它往往还不是一种绝对平衡，还不是真正的最大熵。但最后趋近平衡的过程非常缓慢，可能是几小时、几年、几个世纪……。举个趋近平衡还算比较快的例子：倘若一只玻璃杯盛满清水，第二只玻璃杯盛满糖水，把它们放入一个密封的恒温箱中。起初好像什么也没有发生，产生了完全平衡的印象。但过了一天左右的时间，可以发现清水由于蒸汽压较高，慢慢蒸发出来并凝聚在糖溶液上。糖溶液溢出来了。只有当清水全部蒸发后，糖才实现了均匀分布于所有水中的目的。70


    绝不能误把这类最终缓慢趋向平衡的过程当作生命，这里可以不去理会。我提到它只是为了避免有人指责我不够准确。


    57.以“负熵”为生


    有机体能够避免很快衰退为惰性的“平衡”态，这似乎成了难解之谜，以至于从很早的时候开始，人类就曾声称有某种特殊的非物理的或超自然的力（“活力”，“隐得来希”）在有机体中起作用，现在仍然有人这样主张。


    生命有机体是如何避免衰退的呢？一个显而易见的回答是：通过吃、喝、呼吸以及（植物的）同化。专业术语叫“新陈代谢”（metabolism）。这个词来自希腊词μεταβ?mbda;mbda;ειν，意为“变化”或“交换”。交换什么呢？最初的基本观点无疑是物质交换（例如，新陈代谢所对应的德文词Stoffwechsel的字面含义就是物质交换）。认为物质交换应该是本质性的，这种看法是荒谬的。任何一个氮原子、氧原子、硫原子等等和其他任何一个氮原子、氧原子、硫原子都是一样的，交换它们能得到什么呢？曾有人对我们说，我们是以能量为生的，这暂时平息了我们的好奇心。在一些发达国家（我记不清是德国还是美国，或者两个国家都是）的饭馆里，你会发现菜单上除价目外还标明了每道菜的能量含量。不用说，这实在很荒唐。对于一个成年有机体来说，能量含量和物质含量一样都是固定不变的。既然任何一个卡路里与其他任何一个卡路里的价值是一样的，我们确实看不出单纯的交换有什么用处。71


    那么，我们的食物中到底含有什么宝贵的东西使我们能够免于死亡呢？这个问题很容易回答。每一个过程、事件、偶然发生的事——无论叫它什么，简言之，自然界中正在发生的一切，都意味着它在其中发生的那部分世界的熵的增加。因此，生命有机体在不断增加自己的熵——或者可以说是在产生正熵——从而趋向于危险的最大熵状态，那就是死亡。要想摆脱死亡或者活着，只有从环境中不断吸取负熵——我们很快就会明白，负熵是非常正面的东西。有机体正是以负熵为生的。或者不那么悖谬地说，新陈代谢的本质是使有机体成功消除了它活着时不得不产生的所有熵。


    58.熵是什么？


    熵是什么？我首先要强调，这并不是一种模糊的概念或观念，而是一个可测量的物理量，就像棍棒的长度，物体上任何一点的温度，某种晶体的熔化热，或者某种物质的比热那样。温度处于绝对零度时（约为-273℃），任何物质的熵都是零。如果通过缓慢而可逆的微小步骤使物质进入另一种状态（即使物质因此而改变了物理性质或化学性质，或者分裂成两个或两个以上物理或化学性质不同的部分），则熵增的量可以这样计算：用过程的每一小步必须提供的热量除以提供热量时的绝对温度，再把所有这些小的贡献加起来。举一个例子，当你熔化一种固体时，其熵增就是熔化热除以熔点温度。由此可以看出，测量熵的单位是卡/℃（就像卡是热量的单位或厘米是长度的单位一样）。72


    59.熵的统计学意义


    我提到熵这个术语的专业定义，只不过是为了驱除经常笼罩在它周围的神秘气氛。这里对我们来说更重要的是熵对于有序和无序这一统计学概念的意义，玻尔兹曼和吉布斯（Gibbs）在统计物理学方面的研究已经揭示了它们之间的关系。这也是一种精确的定量关系，可以表达为：


    熵=klogD


    其中k是所谓的玻尔兹曼常数（=3.2983×10-24 卡/℃），D是对相关物体原子无序性的定量量度。用简短的非专业术语对D这个量做出精确的解释几乎是不可能的。它所表示的无序，一部分是热运动的无序，另一部分则来自随机混合而不是清楚分开的不同种类的原子或分子，例如前引例子中的糖和水分子。这个例子可以很好地说明玻尔兹曼方程。糖逐渐“扩散”于所有水中就增加了无序性D，从而增加了熵（因为D的对数随着D的增加而增加）。同样清楚的是，提供任何热量都会增加热运动的混乱，也就是说增加了D，从而增加了熵。为什么是这样呢？看看下面的例子就会清楚了：当你熔化一种晶体时，你破坏了原子或分子整齐而持久的排列，把晶格变成了一种连续变化的随机分布。


    一个孤立系统或处于均匀环境中的系统（为了目前的研究，最好把环境作为我们考虑的系统的一部分）的熵在增加，并且或快或慢地接近于最大熵的惰性状态。我们现在认识到，这个基本的物理学定律正是，除非我们事先避免，否则事物会自然趋向于混乱状态（这种倾向等同于图书馆的书籍或写字台上堆放的纸张手稿所表现出的倾向。在这种情况下，与不规则的热运动相类似的是，我们时不时去拿那些图书和稿件，却没有费心把它们放到合适的地方。）73


    60.从环境中吸取“秩序”来维持组织


    如何通过统计学理论来表达生命有机体推迟趋向热力学平衡（死亡）的衰退的奇妙能力呢？我们在前面说过：“以负熵为生”。生命有机体仿佛是把负熵之流引向自身，以抵消它在生活中产生的熵增，从而使其自身维持在稳定的低熵水平上。


    假定D是对无序的度量，其倒数1/D可以被看成对有序的一个直接度量。由于1/D的对数恰好是D的对数的负值，所以玻尔兹曼方程可以写成：


    －（熵）=klog（1/D）


    因此，“负熵”这一笨拙表达可以换成一种更好的说法：取负号的熵是对有序的一种量度。于是，一个有机体使自身稳定在较高有序水平（等于较低的熵的水平）的策略其实在于从其环境中不断吸取秩序。这一结论并没有像它初看起来那样悖谬，但可能会因为平凡而受到责难。事实上，我们很清楚高等动物赖以为生的这种秩序，亦即给它们充当食物的较为复杂的有机化合物中那种极为有序的物质状态。利用这些食物之后，动物返还的是大大降解的东西——不过不是完全降解，因为植物仍然可以利用它。（当然，植物从日光中获得了最大的“负熵”供应。）74


    关于第六章的注


    关于 负熵 的说法遭到过物理学家同事的怀疑和反对。我首先要说，如果只是为了迎合他们，我就会转而讨论 自由能 了。在这一语境中，它是更为人所熟知的概念。但这个十分专业的术语在语言学上似乎与 能量 太过接近，致使一般读者无法察觉两者的区别。他可能会把“自由”理解成没有多大关系的一个修饰词。然而实际上，这是一个相当复杂的概念，要找出它与玻尔兹曼的有序-无序原理的关系，并不见得比用熵和“带负号的熵”（顺便说一句，熵和负熵并不是我的发明）来得更容易。它恰好是玻尔兹曼最初论证的关键。


    但西蒙（F.Simon）非常中肯地向我指出，我那些简单的热力学思考还不能说明，我们赖以为生的为什么是“较为复杂的有机化合物中那种极为有序状态”下的物质，而不是木炭或金刚石矿浆。他是对的。但我必须向普通读者解释一下，正如物理学家所知道的，一块没有烧过的煤或金刚石连同燃烧时所需的氧，也处于一种极为有序的状态。对此的证明是，煤在燃烧过程中会产生大量的热。通过把热散发到周围环境中，系统就处理掉了因反应而引起的大量熵增，并且达到了与以前大致相同的熵的状态。


    然而，我们无法以反应生成的二氧化碳为生。所以西蒙非常正确地向我指出，我们食物中所含的能量的确很重要；因此，我对菜单标明食物能量的嘲笑是不适当的。不仅我们身体消耗的机械能需要补充能量，我们向周围环境不断散发热也需要补充能量。我们散发热不是偶然的，而是必不可少的。因为我们正是以这种方式处理掉了我们物质生命过程中不断产生的多余的熵。


    这似乎暗示，温血动物的较高体温有利于较快地除去熵，因此能够产生更强烈的生命过程。我不敢肯定这一论证中有多少正确的成分（对此应该负责的是我，而不是西蒙）。人们可以反对说，有许多温血动物都用皮毛来防止热的迅速散失。因此，我相信存在的体温与“生命强度”之间的平行也许可以用第50节末尾提到的范特霍夫定律来更直接地解释：较高温度本身加速了生命活动中的化学反应。（事实确是如此，这在以周围环境温度为体温的物种身上已经有了实验验证）75