来源
2004-11-25 18:33:00

《生命是什么?》第六章 有序,无序和熵

  肉体不能决定灵魂去思维,灵魂也不能决定肉体去运动、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节最后的一句话,在那句话里,我试图说明的是,根据基因的分子图来看,“微型密码同一个高度复杂而特定的发育计划有着一对一的对应关系,并包含着使密码发生作用的手段”,这至少是可以想象的。这很好,那么它又是如何做到这一点的呢?我们又如何从“可以想象的”变为真正的了解呢?

  德尔勃留克的分子模型,在它整个概论中似乎并未暗示遗传物质是如何起作用的。说实话,我并不指望在不久的将来,物理学会对这个问题提供任何详细的信息。不过,我确信,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,并将继续进行下去。

  根据上述对遗传物质结构的一般描述,还不能显示出关于遗传机制的功能的详细信息。这是显而易见的。但是,十分奇怪的是,恰恰是从它那里得出了一个一般性的结论,而且我承认,这是我写这本书的唯一动机。

  从德尔勃留克的遗传物质的概述中可以看到,生命物质在服从迄今为止已确定的“物理学定律”的同时,可能还涉及到至今还不了解的“物理学的其他定律”,这些定律一旦被揭示出来,将跟以前的定律一样,成为这门科学的一个组成部分。

  55. 秩序基础上的有序

  这是一条相当微妙的思路,不止在一个方面引起了误解。本书剩下的篇幅就是要澄清这些误解。在以下的考虑中,可以看到一种粗糙的但不完全是错误的初步意见:

  我们所知道的物理学定律全是统计学定律,这在第一章里已作了说明。这些定律同事物走向无序状态的自然倾向是大有关系的。

  但是,要使遗传物质的高度持久性同它的微小体积协调一致,我们必须通过一种“虚构的分子”来避免无序的倾向。事实上,这是一种很大的分子,是高度分化的秩序的杰作,是受到了量子论的魔法保护的。机遇的法则并没有因这种“虚构”而失效,不过,它们的结果是修改了。物理学家很熟悉这样的事实,即物理学的经典定律已经被量子论修改了,特别是低温情况下。这样的例子是很多的。看来生命就是其中一例,而且是一个特别惊人的例子。生命似乎是物质的有序和有规律的行为,它不是完全以它的从有序转向无序的倾向为基础的,而是部分地基于那种被保持着的现存秩序。

  对于物理学家--仅仅是对他来说--我希望,这样说了以后,能更清楚地讲明我的观点,即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粹机械的(与热力学作比较),当温度接近绝对零度,分子的无序状态消除的时候,所有的系统都将趋向于这种行为。

  非物理学家发现,被他们作为高度精确的典范的那些物理学定律,竟以物质走向无序状态的统计学趋势作为基础,感到这是难以相信的。在第一章里,我已举过一个例子。涉及到的一般原理就是有名的热力学第二定律(熵的原理),以及它的同样有名的统计学基础。在第56到60节里,我想扼要地说明熵的原理对一个生命有机体宏观行为的意义--这时完全可以忘掉关于染色体、遗传等已经了解的东西。

  56. 生命物质避免了趋向平衡的衰退

  生命的特征是什么?一块物质什么时候可以说是活的呢?那就是当它继续在“做某些事情”,运动,新陈代谢,等等,而且可以指望它比一块无生命物质在相似情况下“维持生活”的时间要长得多。当一个不是活的系统被分离出来,或是放在一个均匀的环境里的时候,由于各种摩擦阻力的结果,所有的运动往往立即陷于停顿;电势或化学势的差别消失了,倾向于形成化学化合物的物质也是这种情况,温度由于热的传导而变得均一了。在此以后,整个系统衰退成死寂的、无生气的一团物质。这就达到了一种永恒不变的状态,不再出现可以观察到的事件。物理学家把这种状态称为热力学平衡,或“最大值的熵”。

  实际上,这种状态经常是很快就达到的。从理论上来说,它往往还不是一种绝对的平衡,还不是熵的真正的最大值。最后达到平衡是十分缓慢的。它可能是几小时、几年、几个世纪……。举一个例子,这是接近平衡还算比较快的一个例子:倘若一只玻璃杯盛满了清水,第二只玻璃杯盛满了糖水,一起放进一只密封的、恒温的箱子里。最初好象什么也没有发生,产生了完全平衡的印象。可是,隔了一天左右以后,可注意到清水由于蒸汽压较高,慢慢地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,糖才达到了均匀地分布在所有水中的目的。

  这些最后是缓慢地向平衡的趋近,决不能误认为是生命。在这里我们可以不去理会它。只是为了免得别人指责我不够准确,所以我才提到它。

  57. 以“负熵”为生

  一个有机体能够避免很快地衰退为惰性的“平衡”态,似乎成了如此难解之谜,以致在人类思想的最早时期,曾经认为有某种特殊的非物质的力,或超自然的力(活力,“隐得来希”)在有机体里起作用,现在还有人是这样主张的。

  生命有机体是怎样避免衰退的呢?明白的回答是:靠吃、喝、呼吸以及(植物是)同化。专门的术语叫“新陈代谢”。这词来源于希腊字,意思是变化或交换。交换什么呢?最初的基本观点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)。认为物质的交换应该是本质的东西的说法是荒谬的。氮、氧、硫等的任何一个原子和它同类的任何另一个原子都是一样的,把它们进行交换又有什么好处呢?过去有一个时候,曾经有人告诉我们说,我们是以能量为生的。这样,使我们的好奇心暂时地沉寂了。在一些很先进的国家(我记不清是德国还是美国,或者两个国家都是)的饭馆里,你会发现菜单上除了价目而外,还标明了每道菜所含的能量。不用说,这简直是很荒唐的。因为一个成年有机体所含的能量跟所含的物质一样,都是固定不变的。既然任何一个卡路里跟任何另一个卡路里的价值是一样的,那么,确实不能理解纯粹的交换会有什么用处。

  在我们的食物里,究竟含有什么样的宝贵东西能够使我们免于死亡呢?那是很容易回答的。每一个过程、事件、事变--你叫它们什么都可以,一句话,自然界中正在进行着的每一件事,都是意味着它在其中进行的那部分世界的熵的增加。因此,一个生命有机体在不断地增加它的熵--你或者可以说是在增加正熵--并趋于接近最大值的熵的危险状态,那就是死亡。要摆脱死亡,就是说要活着,唯一的办法就是从环境里不断地汲取负熵,我们马上就会明白负熵是十分积极的东西。有机体就是赖负熵为生的。或者,更确切地说,新陈代谢中的本质的东西,乃是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵。

  58. 熵是什么?

  熵是什么?我首先要强调指出,这不是一个模糊的概念或思想,而是一个可以计算的物理学的量,就象是一根棍棒的长度,物体的任何一点上的温度,某种晶体的熔化热,以及熔化一种物体的比热等。在温度处于绝对零度时(大约在-273℃),任何一种物体的熵等于零。当你以缓慢的、可逆的、微小的变化使物体进入另一种状态时(甚至因此而使物体改变了物理学或化学的性质,或者分裂为两个或两个以上物理学或化学性质不同的部分),熵增加的总数是这样计算的:在那个步骤中你必须供给的每一小部分热量,除以供给热量时的绝对温度,然后把所有这些求得的商数加起来。举一个例子,当你熔解一种固体时,它的熵的增加数就是:熔化热除以熔点温度。由此,你可看到计算熵的单位是卡/度(摄氏)(就象卡是热量的单位或厘米是长度的单位一样)。

  59. 熵的统计学意义

  为了消除经常笼罩在熵上的神秘气氛,我已简单地谈到了这个术语的定义。这里对我们更为重要的是有序和无序的统计学概念的意义,它们之间的关系已经由玻尔兹曼和吉布斯在统计物理学方面的研究所揭示。这也是一种精确的定量关系,它的表达式是:熵=klogD,k是所谓的玻尔兹曼常数(=3.2983E-24卡/℃),D是有关物质的原子无序状态的数量量度。要用简短的非专业性的术语对D这个量作出精确的解释几乎是不可能的。它所表示的无序,一部分是那种热运动的无序,另一部分是存在于随机混合的、不是清楚地分开的各种原子或分子中间的无序。例如,上面例子中的糖和水的分子。这个例子可以很好地说明玻尔兹曼的公式。糖在所有水面上逐渐地“溢出”就增加了无序D,从而增加了熵(因为D的对数是随D而增加的)。同样十分清楚的是,热的任何补充都是增加热运动的混乱,就是说增加了D,从而增加了熵。为什么应该是这样情况呢?只要看下面的例子就更加清楚了,那就是,当你熔化一种晶体时,因为你由此而破坏了原子或分子的整齐而不变的排列,并把晶格变成了连续变化的随机分布了。

  一个孤立的系统,或一个在均匀环境里的系统(为了目前的考虑,我们尽量把它们作为我们所设想的系统的一部分),它的熵在增加,并且或快或慢地接近于最大值的熵的惰性状态。现在我们认识到,这个物理学的基本定律正是事物接近混乱状态的自然倾向(这种倾向,跟写字台上放着一大堆图书、纸张和手稿等东西表现出的杂乱情况是同样的),除非是我们在事先预防它。(在这种情况下,同不规则的热运动相类似的情况是,我们不时地去拿那些图书杂志等,但又不肯化点力气去把它们放回原处。)

  60. 从环境中引出“有序”以维持组织

  一个生命有机体通过不可思议的能力来推迟趋向热力学平衡(死亡)的衰退,我们如何根据统计学理论来表达呢?我们在前面说过:“以负熵为生”,就象是有机体本身吸引了一串负熵去抵消它在生活中产生的熵的增加,从而使它自身维持在一个稳定的而又很低的熵的水平上。

  假如D是无序的度量,它的倒数1/D可以作为有序的一个直接度量。因为1/D的对数正好是D的负对数,玻尔兹曼的方程式可以写成这样:负熵=klog(1/D)。

  因此,“负熵”的笨拙的表达可以换成一种更好一些的说法:取负号的熵,它本身是有序的一个量度。这样,一个有机体使它本身稳定在一个相当高的有序水平上(等于熵的相当低的水平上)的办法,确实是在于从它的环境中不断地吸取秩序。这个结论比它初看起来要合理些。不过,可能由于相当繁琐而遭到责难。其实,就高等动物而言,我们是知道这种秩序的,它们是完全以此为生的,就是说,被它们作为食物的、复杂程度不同的有机物中,物质的状态是极有序的。动物在利用这些食物以后,排泄出来的是大大降解了的东西,然而不是彻底的分解,因为植物还能利用它。(当然,植物在日光中取得“负熵”的最有力的供应)