推广

从能量到熵，生物体是如何维持高度有序的？

iseeyu2年前 (2024-10-20)推广114

生物体是高度有序的，典型特征就是结构精妙，它们通过摄入和消耗能量，生长繁殖。我们从能量的本质考虑，才能更好理解生命的意义，能量流可以增加有序。

运动，能量和熵

从物理角度来考虑生物体的有序性，我们要先了解一些物理。

首先是热力学第一定律，即能量既不能产生也不能消灭，但能量可以在不同形式之间转化。最常见的能量形式是动能和势能，把一个铁球从高空中放下，自由落体，势能就会转变成动能。

能量守恒与转化

通过做功和传递热量，也可以把能量从一种形式转换成另一种形式。在机械运动中，摩擦等效应会使机械能耗尽而转变成热能释放出来，摩擦不是能量损失，它只是能量转化一个过程。如果把产生的热能计算在内的话，总能量则保持守恒。

热是机械能的一种特殊形式，它是组成物体的分子的动能之和。不管是机械能还是动能，电能或者太阳能，最终总是有部分会转化成热能。而热能，是分子随机和无序性运动的结果。增加有序性要付出的代价就是要有一些有序能量降级为热能。

熵增的世界

对于一个孤立的系统来讲，总是趋向于无组织或混乱的一团，这种混乱度在物理学上用熵来表示。熵代表着系统的随机性和无序性，混乱度越高熵就越高，也就是熵增。

自然界也总是朝着熵增无序的方向发展，简单来说，我们如果不打扫房间的话，它就会变得越来越乱。要减少它的熵增，外界必须对它做功，对于混乱的房间，那就是我们必须去打扫卫生。

被墨汁染黑的清水

当我们把一滴墨汁滴入一杯清水以后，整杯水都会被染黑，但我们从来没有见过，这一杯墨水能够自发地再分离成墨汁和水。也就是说对于一个孤立系统来讲，它的无序性是不可能自发降低的，这也就是热力学第二定律。

热力学第二定律是残酷的，它意味着万物都会走向衰退。即使宏大如我们身处的宇宙，如果作为一个孤立系统考虑，早晚也会达到热平衡，宇宙中到处都是冰冷和黑暗，最终走向热寂的可怕结局。

如果我们把组成生物体的碳、氢还有其他的一些元素混合起来，放在一个烧杯里，维持上一段时间，它们永远也不可能自发产生生物体。即使是最简单的病毒，是介于生物与非生物体之间，它也有着精致的结构。生物体的产生，粗看起来与物理上熵增原理是矛盾的。

冠状病毒的结构示意图

事实上，地球上出现了大量形式丰富的生命，那么问题就来了，难道生物体不受热力学定律的约束？

宇宙中当然不可能存在两套物理规律，牛顿的万有引力定律拿到仙女座等任一外星系照样适用。即使是生物体，也要和非生命物体符合同一样的物理规律。而且，热力学第二定律只适用于孤立系统，地球上产生生物，就相当于一个大系统中的一个某个子系统自发的增加有序性，这并不奇怪。

从物理学角度来考察生命体，最简单的是方法就是从运动和能量来进行考虑。例如人类每天都摄入食物补充能量，在维持生命的基础上，行走运动。按照热力学第一定律也就是能量守恒定律，我们消耗的能量一定正比于摄取的能量。

万物生长靠太阳

生物体究竟是如何维系生存？而且还能繁衍后代，甚至向更复杂的生命形式进化，那要归因于太阳。太阳就像是个大火球，而我们地球相比是冷的，这种不均衡的温度分布相当于一种有序的形式，这也是地球上生命有序性的来源。

太阳与地球

我们在地球上，有太阳能量的不断输入。太阳光持续不断的入射到地球上，而地球的温度却能长期保持稳定，那么必然是一部分能量被地球所消耗，另一部分，是以热辐射等形式释放到太空中去。因此地球不是一个孤立的系统，它有太阳持续能量的输入。那么地球上生物的出现，生物有序度的逐渐增加与热力学定律也就不矛盾了。

地球上生命存在的秘诀就是能量流的有序传递。能完美利用太阳有序能量的生物是，植物可以依靠光合作用，把太阳辐射的有序能量吸收，并利用部分能量抵御自身无序性退化的趋势，用来维持自身生长。多余的能量还可以用来做功，例如把摄入的低能量物质（二氧化碳和水）转化成高能量的碳水化合物。在这个过程中，有序能量降级为热能，从而产生有序。所以，本质上，植物消耗的是来自太阳能量流的有序。

向日葵

生命不能无中生有的创造有序，植物靠太阳的能量，通过光合作用转换能量以维持有序。人类是智慧生物，是自然界高度有序的存在，也需要摄入各种食物，通过新陈代谢分解和"燃烧"食物，进而释放能量，从高品质能量转变成热能，从而获得有序。这些有序都是源自于太阳，这些有序通过一系列复杂的能量流在生物圈中流转。

生命以负熵为生

量子力学创始人之一，诺贝尔奖得主薛定谔在他的跨界神作《生命是什么？》中，就提出了有机体就是靠负熵为生的观点。

一个生命有机体在不断地产生熵—或者可以说是在增加正熵—并逐渐趋近于最大熵的危险状态，即死亡。要摆脱死亡，要活着，唯一的办法就是从环境里不断地汲取负熵……

薛定谔认为，生命就是一种极其精妙的秩序，可以通过新陈代谢成功消除生存带来的熵增，生物进食的重要目的，不仅仅是为了交换物质或能量，而是为了交换有序，直至死亡为止。

撸猫狂人：薛定谔

热力学第二定律，告诉我们，这个宇宙的自然趋势是衰退到彻底的温度平衡，整个世界趋于无差别的死寂。而生命的出现和存在是逆天的行为，生物体通过负熵的摄入，从无序到有序的生存，甚至不断的演化，变得更加的精巧和复杂。

究竟是自然规律的引导，还是其他观察者意识的作用？这些终极的思考，已经超越了科学和哲学的领域，答案就是仁者见仁智者见智了。